中断在操作系统中的应用

（3）故障请求中断。当出现电源掉电、存储出错或 溢出故障时，发出中断请求，CPU转去执行故障处理 程序，如启动备用电源、报警等。
（4）异常。由于CPU执行指令引起的中断
中断的分类： 1.按中断的性质来划分，则系统中的中断可分为： 可屏蔽中断和不可屏蔽中断。对不可屏蔽中断，程序 员不能控制它，系统肯定会立即响应的，而对于可屏 蔽中断，汇编语言程序员可以通过指令CLI和STI来控 制对它们的响应。 2.按中断源来划分，则系统中的中断又可分为：硬 件中断和软件中断。对于硬件中断，程序员不能控制 它，它们基本上是随机产生的，而对于软件中断，汇 编语言程序员可通过指令INT和INTO来有目的安排它们 的。
一、
中 断 实 现 的 机 制
二、
系 统 调 用 与 中 断 的 关 系
三、
硬件中断的例子及 其工作原理
1.设计一个中断处理程序。要求中断请求信号以跳变方式由IR2引入（可为 任一定时脉冲信号），当CPU响应IR2请求时，输出字符串“8259A INTERRUPT!”，中断10次，程序退出（设8259A的端口地址为20H和21H，中 断类型号为40H）。
中断服务程序
中断处理
返回断点
中断源：指能够引起中断的原因或发出中断申请 的来源。主要有以下几类：
（1）外部设备请求中断。一般的外部设备如键盘、 磁盘驱动器、磁带机、打印机等在工作告一段落后 发出中断请求，要求CPU为它服务。 （2）实时时钟请求中断。如定时/计数器，先有CPU 发出指令，让时钟电路开始计时工作，待规定的时 间到，时钟电路发出中断申请，CPU转入中断服务程 序进行中断处理。
STI MOV MOV MOV INT DEC JNZ IN OR OUT NEXT: MOV OUT POP POP POP IRET INT-P CODE END
; 开中断
DS, AX DX, OFFSET MESS AH, 09H 21H COUNT NEXT AL, 21H AL, 04H 21H, AL CLI AL, 20H 20H, AL DX AX DS ENDP ENDS MAIN
整个系统调用的过程可以总结如下： 1． 执行用户程序(如:fork) 2． 根据glibc中的函数实现，取得系统调用号并执行int $0x80产生中断。 3． 进行地址空间的转换和堆栈的切换，执行SAVE_ALL。 （进行内核模式） 4． 进行中断处理，根据系统调用表调用内核函数。 5． 执行内核函数。 6． 执行RESTORE_ALL并返回用户模式
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中断在操作系统中的 应用
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一、
中 断 实 现 的 机 制
二、
系 统 调 用 与 中 断 的 关 系
三、
硬件中断的例子及 其工作原理
中断的定义：
主程序 在CPU执行程序的过程中， 出现了某种紧急或异常的 事件(中断请求)，CPU需 暂停正在执行的程序，转 有中断请求 去处理该事件(执行中断 服务程序)，并在处理完 毕后返回断点处继续执行 断点 被暂停的程序，这一过程 称为中断。断点处是指返 继续执行 回主程序时执行的第一条 指令的地址。
2．中断优先级的确定 在微机系统中通常用三种方法来确定中断源的优先级别，即软件查询法、硬 件排队电路法和专用中断控制芯片法。 1) 软件查询法 软件查询法需要简单的硬件电路支持。以8个中断源为例，其硬件电路 如图所示，将8个外设的中断请求组合起来作为一个端口(中断寄存器)，并将 各个外设的中断请求信号相或，产生一个总的INT信号。
断点保护
…
D7 D0
INT 1 中 断 寄 存 器 INT 2
…Hale Waihona Puke Baidu
INT ？ 1 N INT ？ 2 Y 对2号中 断源服务 Y 对1号中 断源服务
CPU
INT 8
N
…
…
INTR
INT
≥1
INT ？ n N
Y
对n号中 断源服务
软件查询法的硬件电路
软件查询方式的流程图
…
2) 硬件排队电路 采用硬件排队电路法， 各个外设的优先级与其接口在 排队电路中的位置有关。常用 1#中断请求 的硬件优先权排队电路有链式 优先权排队电路、硬件优先级 应答1# 编码加比较器的排队电路等。 2#中断请求 下图给出了一个链式优先级排 队电路。图中，当响应信号沿 链式电路进行传递时，最靠近 应答2# CPU并发出中断请求的接口将 首先拦截住响应信号，CPU进 3#中断请求 入相应外设的中断处理程序， 在服务完成后，该外设撤消其 应答3# 中断请求，解除对下一级外设 的封锁。
首先它们都是操作系统概念。中断调用是DOS操作系统中， 系统调用的特殊形式而已。 系统调用，都是指操作系统的开发者，提供了许多系统的程 序库，实现输入/输出等基本的功能，我们编写程序的时候就调 用这些程序库，不必要自己到显示器上绘图和读取键盘端口。 在UNIX操作系统下，系统调用主要是C语言格式调用的一些 函数库。比如printf和scanf函数，我们写程序的时候直接可以 用，编译系统把它转变为对操作系统函数库调用的代码，目标文 件可以独立运行。 在WINDOWS系统，系统调用主要是以一系列的DLL、EXE文件 方式给出，比如USER32.DLL、NTDLL.DLL等，编写程序的时候可 以直接调用里面的GETDC等函数库。 在DOS系统下，操作系统不以函数库形式提供系统调用，而 是把整个操作系统的所有代码都LOAD到内存里面，把相关系统调 用功能安装到中断接口里面，我们写的程序需要调用的时候，调 用相应的中断。比如打开文件等操作，就调用INT 21
输入 锁存器 三态 缓冲器
输入 设备
数据总线
中断请求 ＋5 V D Q &
端口 译码
地址总线 RD
Q 中断屏蔽 & INT
中断排队：通常，系统中有多个中断源，当有多个中断源同时发出 中断请求时，要求计算机能确定哪个中断更紧迫，以便首先响应。 为此，计算机给每个中断源规定了优先级别，称为优先权。这样， 当多个中断源同时发出中断请求时，优先权高的中断能先被响应， 只有优先权高的中断处理结束后才能响应优先权低的中断。计算机 按中断源优先权高低逐次响应的过程称优先权排队，这个过程可通 过硬件电路来实现，亦可通过软件查询来实现。 1．中断优先级 中断请求是随机发生的，当系统具有多个中断源时，有时会同时出 现多个中断请求，CPU只能按一定的次序予以响应和处理，这个响应的次 序称为中断优先级。对于不同级别的中断请求，一般的处理原则是： (1) 不同优先级的多个中断源同时发出中断请求，按优先级由高到低依 次处理。 (2) 低优先级中断正在处理，出现高优先级请求，应转去处理高优先级 请求，服务结束后再 返回原优先级较低的中断服务程序继续执行。 (3) 高优先级中断正在处理，出现低优先级请求，可暂不响应。 (4) 中断处理时，出现同级别请求，应在当前中断处理结束以后再处理 新的请求。
中断处理： 中断处理的过程实际就是CPU执行中断服务程序的 过程。用户编写的用于CPU为中断源进行中断处理的程 序称为中断服务程序。由于不同中断源在系统中的作用 不同，所要完成的功能不同，因此，不同中断源的中断 服务程序内容也各不相同。例如，对于图7.11所示的输 入设备，其中断服务程序的主要任务是用输入指令(IN) 从接口中的数据端口向CPU输入数据。 中断返回： 执行完中断服务程序，返回到原先被中断的程序， 此过程称为中断返回。为了能正确返回到原来程序的 断点处，在中断服务程序的最后应专门放置一条中断 返回指令(如8086/8088的IRET指令)。中断返回指令 的作用实际上是恢复断点，也就是保护断点的逆过程。
; 单片, 边沿触发 ; 中断类型号40H ；写入ICW2的口地址A=1 ; 非自动结束 ; 设置中断向量 ; 中断服务子程序入口段基址送DS ;中断服务子程序入口偏移地址送DX ; IR2的中断类型号42H送AL ; 25H功能调用 ; 读IMR（中断屏蔽寄存器） ; 允许IR2请求中断 ; 写中断屏蔽字OCW1 ; 开中断（令IF=1开中断） ; 判断10次中断是否结束 ; 未结束, 等待 ; 结束, 返回DOS ; 中断服务子程序 ; 保护现场
OUT MOV OUT MOV OUT MOV MOV MOV MOV MOV INT IN AND OUT WAIT1: CMP JNZ MOV INT INT-P PUSH PUSH PUSH
20H, AL AL, 40H 21H, AL AL, 01H 21H, AL AX, SEG INT-P DS, AX DX, OFFSET INT-P AL, 42H AH, 25H 21H AL, 21H AL, 0FBH 21H, AL STI COUNT,0 WAIT1 AX, 4C00H 21H PROC DS AX DX
中断请求
中断排队
中断处理 过程
中断响应
中断处理 中断返回
中断请求是由中断源向CPU发出中断请求信号。软件中断源是 在CPU内部由中断指令或程序出错直接引发中断；硬件中断源 必须通过专门的电路将中断请求信号传送给CPU，CPU也有专 门的引脚接收中断请求信号。例如，8086/8088 CPU用INTR引 脚(可屏蔽中断请求)和NMI引脚(非屏蔽中断请求)接收硬件中 断请求信号。一般外设发出的都是可屏蔽中断请求
中断处理程序如下： DATA SEGMENT MESS DB'8259A? INTERRUPT!', 0AH, 0DH, '$' COUNT DB 10 ; 计数值为10 DATA ENDS STACK SEGMENT STACK STA DB 100H DUP(?) TOP EQU LENGTH STA ；数据块长度为100H的符号名 STACK ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE, DS:DATA, SS:STACK MAIN: CLI ；令IF=0关闭中断 MOV AX,DATA MOV DS, AX ；初始化DS MOV AX, STACK MOV SS, AX ；初始化SS MOV SP, TOP MOV AL, 13H ; 8259A初始化，ICW1的内容
“ 1”
INT 响应
&
&
&
&
&
&
3．中断嵌套 CPU在执行低级别中断服 务程序时，又收到较高级别的中 断请求，CPU暂停执行低级别中断 服务程序，转去处理这个高级别 的中断，处理完后再返回低级别 中断服务程序，这个过程称为中 断嵌套，如图所示。 一般CPU响应中断请求后， 在进入中断服务程序前，硬件会 自动实现关中断，这样，CPU在 执行中断服务程序时将不能再响 应其他中断请求。 为了实现中断嵌套，应在低级别 中断服务程序的开始处加一条开 中断指令STI。能够实现中断嵌 套的中断系统，其软、硬件设计 都非常复杂，如果采用了可编程 中断控制器，就会方便很多。
一、
中 断 实 现 的 机 制
二、
系 统 调 用 与 中 断 的 关 系
三、
硬件中断的例子及 其工作原理
前面已经讲过中断的定义，那什么是系统调用呢？ 所谓系统调用，就是内核提供的、功能十分强大 的一系列的函数。这些系统调用是在内核中实现的， 再通过一定的方式把系统调用给用户，一般都通过门 (gate)陷入(trap)实现。系统调用是用户程序和内核 交互的接口。 操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良 好的环境，为了达到这个目的，内核提供一系列具备 预定功能的多内核函数，通过一组称为系统调用的 （system call)的接口呈现给用户。系统调用把应用 程序的请求传给内核，调用相应的的内核函数完成所 需的处理，将处理结果返回给应用程序，如果没有系 统调用和内核函数，用户将不能编写大型应用程序。
主程序
低级中断服务程序 高级中断服务程序
STI 低级中断请求 高级中断请求
STI
中断响应：经中断排队后, CPU收到一个当前申 请中断的中断源中优先级别最高的中断请求信 号,如果满足条件, 则中止执行现行程序, 响应 中断申请。 中断响应的条件： ① 有中断请求信号 ② 中断请求没有被屏蔽 ③ CPU允许响应中断请求 ④ CPU在现行指令执行结束时响应中断 响应步骤 1.标志寄存器内容入栈 2.IF清零 3.保护断点,即当前CS、IP入栈 4.寻找中断服务程序入口地址