022-中断

• 在程序执行过程中遇到急需处理的事件时，暂时中止 CPU 上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处/调度其他程序执行

• 操作系统是中断驱动的：中断是激活操作系统的唯一方式

进程转换模型

中断的分类

类型	定义	示例
狭义中断	处理器外的中断事件	I/O 中断、时钟中断、外部信号中断
异常	执行指令引起的中断	地址异常、算术异常、硬件异常
系统调用	触发系统调用引起中断	请求设备、请求 I/O、创建进程

中断源

事件	定义	处理流程
处理器硬件故障中断事件	由处理器、主存、总线等硬件故障引起	保护现场、停止设备、停止 CPU、向操作员报告，等待人工干预（wtf？）
程序性中断事件	执行指令引起	算术异常：简单处理，报告用户/用户编写中断续元程序 非法指令/地址越界/非法存取/用户态使用特权指令：终止进程 终止进程指令：终止进程 虚拟地址异常：调整内存，重新执行指令
自愿性中断事件	执行系统调用请求 OS 服务	执行陷入，保护现场，根据功能号查入口并跳转服务程序
I/O 中断事件	由 I/O 设备引起	I/O 完成：调整进程状态，释放等待进程，加入就绪进程队列 I/O 出错/异常：等待人工干预
外部中断事件	由 CPU 现场之外的信号引起	时钟/间隔时钟中断：记时与时间片处理 设备报到与结束中断：调整设备表 键盘/鼠标信号中断：根据信号作出相应反应 关机/重启动中断：写回文件，停止设备与CPU

Linux 中的中断

• 同步中断（Exception 异常）：由 CPU 执行指令引起的中断，通常是异常或系统调用

• 异步中断（Interrupt 中断）：由外部设备引起的中断

• 可屏蔽中断（Maskable Interrupt）：可以通过 IF 标志（中断屏蔽标志）启用或屏蔽的中断，比如外部设备请求的中断。

• 非屏蔽中断（Non-maskable Interrupt, NMI）：无法屏蔽的高优先级中断，通常用于紧急情况，如硬件故障。

类别	原因	异步/同步	返回行为
中断	来自 I/O 设备的信号	异步	总是返回到下一条指令
陷阱	有意的异常，执行后不会影响后续指令（如系统调用）	同步	总是返回到下一条指令
故障	潜在可恢复的错误（如缺页异常）	同步	返回到当前指令
终止	不可恢复的错误（如硬件故障）	同步	不会返回

中断系统

• 响应/处理中断的系统

  • 硬件子系统：中断响应（中断装置）

  • 软件子系统：中断处理（中断处理程序）

• 在指令周期最后增加微操作，检查并响应中断请求

中断响应分类

• 处理器外的中断：中断控制器发现响应

  • 中断控制器：中断逻辑线路 + 中断寄存器

  • 中断向量表：包含中断处理程序的地址的内存区域

  • 步骤

    1. 外部设备向中断控制器发出 中断请求 IRQ，在中断寄存器中设置已发生的中断

    2. 指令处理结束前检查中断寄存器，若有不被屏蔽的中断产生，改变处理器操作顺序，引出中断处理程序（查中断向量表）

• 处理器内的异常：指令控制逻辑发现、响应

• 系统陷阱：处理器执行陷入指令时直接触发

中断响应过程（陷阱机制）

1. 发现中断源，提出中断请求

   • 发现中断寄存器记录的中断

   • 决定这些中断是否被屏蔽

   • 当有多个中断源时，根据优先级选择

2. 中断当前程序执行：保存 PSW/PC 到核心栈

   • 用户栈：属于用户态的栈

   • 核心栈：属于内核态的栈，保存中断现场，保存操作系统程序/函数间相互调用的参数/返回值/返回点/程序局部变量

3. 切换到内核态，调出中断处理程序的 PSW/PC，转向中断处理程序

4. 调用中断返回指令，从内核态变为用户态

中断处理过程

• 保护未被硬件保护的处理器状态

• 识别中断源：通过分析被中断进程的 PSW 的中断码字段

• 处理中断：查中断向量表、执行中断处理子程序

• 恢复正常

  • 直接返回被中断的进程 或

  • 调整进程队列，启用进程调度，选择下一个执行的进程

总体流程

中断处理流程

多重中断处理

• 中断屏蔽：中断装置通过中断屏蔽位决定是否响应中断（有选择地）

• 中断优先级：同时检测到多个中断时响应中断的顺序（有优先级地）

• 中断嵌套：在响应中断时，允许响应更高优先级的中断，有层数限制

  • 可能改变中断处理顺序，先响应的后处理