CPU与中断技术

中断优先级和多重中断
3、中断的屏蔽
指程序提出中断请求后，CPU不予响应的 状态。常常用来在处理某一中断请求时防 止同级中断的干扰或在处理一段不可分割， 必须连续执行的程序时防止任何中断事件 的干扰。
如允许或禁止所有的I/O中断、一些外部中 断等
通过设程序状态字中的状态屏蔽位标志
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中断优先级和多重中断
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中断源分类(4)
两类中断事件
机器故障中断事件 程序性中断事件 输入输出中断事件 外部中断 事件
运行程序 中断装置 中断处理 程序 中断处理 程序 运行程序 访管指令 中断装置
强迫性中断事件
自愿性中断事件
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中断源分类(5)
按照中断信号的来源，可把中断 分为外中断和内中断两类： • 外中断 ( 又称中断 ) ：指来自处 理器和主存之外的中断；
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2.2.6 中断优先级和多重中断
1、中断的优先级 2、如何确定中断的优先级? 3、中断的屏蔽
4、多重中断事件的处理 5、定义中断优先级
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中断优先级和多重中断
1、中断的优先级 计算机执行的每一瞬间，可能有几 个中断事件同时发生，中断装置如何 来响应同时发生的中断呢? 按照预定顺序来响应，这个预定顺 序称中断的优先级
CH2 处理器管理
2.1 中央处理器 2.2 中断技术 2.3 进程的描述与控制
操作系统原理
南京理工大学经济管理学院
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2.1 中央处理器
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 中央处理器的含义 单处理器系统和多处理器系统 处理器的组成 特权指令与非特权指令 处理器状态 程序状态字寄存器
中断优先级和多重中断
5、中断优先级 对优先级更高的中断源，允许 在运行中断处理程序时，可响应 这些中断，系统负责保护被中断 的中断处理程序的现场，再转向 处理新中断的中断处理程序
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1）当前PSW 2）旧PSW 3）新PSW
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中断装置通过“交换 PSW” 来帮助操 作系统完成中断响应过程
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中断响应（2）
中断响应过程 1 ）中断装置发现中断事件，将中断事件存 入程序状态字寄存器中当前PSW的中断码 位置上； 2）根据发生的事件找出对应的旧PSW的存放 位置，把当前的PSW保存到该位置； 3）找出对应的新PSW（中断处理程序），将 它送入程序状态字寄存器；
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中断源分类(8)
按产生中断的设施来划分中断类型： 要通过硬件设施来产生中断请求，可 看作硬中断 不必由硬件发信号而能引发的中断称 软中断
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中断源分类(9)
软中断是由内核或进程对某个进程发 出的中断信号，可看作内核与进程或 进程与进程之间用来模拟硬中断的一 种信号通信方式。
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2.2.3 中断处理程序
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中断的概念(4)

中断系统：中断的实现需要软件和硬 件综合完成，硬件部分叫做中断装置， 软件部分即中断处理程序。中断装置 和中断处理程序统称为中断系统
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中断的概念(5)

中断装置：是发现中断源并产生中 断的硬件，由中断逻辑线路和中断 寄存器组成；其职能主要有两点：

检查是否有中断事件发生；
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中断响应（3）
4）保护被中断程序的现场信息 把中断时的通用寄存器内容、控制寄存器内 容以及已被中断装置保护的旧 PSW 保存到被 中断程序的进程控制块中； 5）分析中断原因 通过分析 PSW 中的中断码，可知中断的具体 原因； 6）处理发生的中断事件（执行相应的中断事件 处理程序） 针对不同事件，进行不同的中断处理。
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中断优先级和多重中断
2、如何确定中断的优先级?
计算机系统中，各中断源的优 先顺序是根据某个中断源或中断 级若得不到及时响应，造成计算 机出错的严重性程度来定。
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中断优先级和多重中断
一般来讲，中断优先级由高 到低的顺序是： 硬件故障中断→自愿性中断 →程序性中断→外部中断→输 入输出中断
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系统调用程序
根据用户 要求完成 处理
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自愿中断事件的处理方法
系统调用机制通过特殊指令和中断系统 来实现。处理流程为： 用户程序执行n号系统调用； 通过中断系统进入访管中断处理； 保护现场； 通过系统调用入口表，按功能号跳转找 到相应功能入口地址； 执行相应例行程序，结束后正常情况返 回原程序的下一条指令继续执行；

• 标志寄存器：也称程序状态字寄存器，存 放反映运算结果的各种特征，如有无进位， 是否溢出等
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处理器的组成(3)
重要 概念
处理器现场：计算机系统的寄存器个 数根据机型的不同而不同，比主存容 量 小 ，但访问速度快，称一级存储。 这组寄存器所存储的信息与程序的执 行有很大关系，构成了处理器现场
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处理器的组成(4)

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硬件故障中断事件：例如电源故障等； 程序性中断事件：溢出、地址越界等； 外部中断事件：时钟的定时中断、用户在 控制台输入了一条命令等；

输入输出中断事件：设备出错、传输结束等
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中断源分类(3)
• 自愿性中断事件是正在运行的
程序所期待的事件 正在运行的程序对操作系统有 系统 某种需求，一旦机器执行到一条 调用 指令（称“访管指令”）时，便 自愿停止现行程序的执行而转入 访管中断处理程序处理。
中断事件能改变处理器内操作执 行的顺序，是现代操作系统实现并 发性的基础之一
为什么？
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2.2.2 中断源分类(1)
按照中断源的自愿程度可以 将中断源分成两类： • 强迫性中断事件 • 自愿性中断事件
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中断源分类(2)
强迫性中断事件 不是正在运行的程序所期待的，而是 由于某种事故或外部请求所引起的，它 们是否发生，何时发生事先无法预料， 因而运行程序可以在任意位置处被打断。 分为：
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中断的概念(2)
• 请求系统服务
中断 原因
• 实现并行工作
• 处理突发事件
都需要打断处理器正常的工作， 为此，才提出了“中断”的概念
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中断的概念(3)



中断源:引起中断的事件称为中断源； 中断请求:中断源向CPU提出处理的请求； 断点:发生中断时被打断程序的暂停点； 中断响应 :CPU 暂停现行程序而转为响应中 断请求的过程； 中断处理程序:处理中断源的程序； 中断处理:CPU执行有关的中断处理程序； 中断返回:返回断点的过程；
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2.1.1 中央处理器
中央处理器是电子计算机内部完成 指令读出、解释和执行的重要部件， 简称CPU。由运算器和控制器组成，有 时还包含了高速缓冲存储器。它是现 代电子计算机的心脏。
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2.1.2 单处理器和多处理器系统
单处理器系统：一个计算机系统只 包括一个中央处理器； 多处理器系统：一个计算机系统有 多个中央处理器
Trap指令操作码
系统调用编码
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3）系统调用程序入口表
编号 0 1 2 3 4 5 … 参数个数 处理程序 系统调用 入口地址 名称 0 Indir 0 exit 0 2 2 2 …
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4）系统调用实现过程
用户程序
… … Trap指令 … …
Trap处理子程序 … 查入口表 传递参数 启动系统调用程序 后续处理
中断处理程序主要工作： 保护CPU现场 处理发生的中断事件 恢复正常操作
不同中断源对应不同的中断处理 程序
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2.2.4 中断响应（1）
处理器总是按程序状态字寄存器中的PSW字 的内容来控制程序的执行，所以，哪个程 序的PSW在程序状态字寄存器中，处理器就 一定执行哪个程序的指令。
为了说明中断响应过程，区分三种PSW：

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2.1.3 处理器的组成(1)
1.运算器
CPU 中的运算器包括算术逻辑单元（ ALU ）， 寄存器组，标志寄存器，累加器，等 • 算术逻辑单元：是运算器的主要部件， 完成指令系统所规定的各种运算；
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处理器的组成(2)

寄存器组：包括通用寄存器组和专用寄存 器组; 通用寄存器组：CPU内部的高速数据暂存器 专用寄存器组：包括程序计数器，堆栈指 示器，变址寄存器等 累加器ACC：参与运算、存放运算结果
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中断源分类(6)
外中断包括：电源故障中断、时 钟中断、控制台中断、关机中断 和I/O中断等 不同的外中断具有不同的中断优先 级，处理高一级中断时，往往会屏 蔽低级中断
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中断源分类(7)
• 内中断(又称异常 )：指来自处理 器和主存内部的中断；
内中断包括：通路校验错、主 存奇偶错、非法操作码、地址 越界、页面失效、调试指令、 访管中断、算术操作溢出等各 种程序性中断


中断码：保存程序执行时当前发生的 中断事件 中断屏蔽位：指明程序执行中发生中 断事件时，是否响应出现的中断事件
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2.1.6 程序状态字寄存器(2)
PSW用来控制指令执行顺序、并保留和 指示与程序有关的系统状态，主要作 用是实现程序状态的保护和恢复 每个程序都有一个与其执行相关的PSW， 每个处理器都设置一个PSW寄存器。程 序占有处理器执行时，它的PSW将占有 PSW寄存器
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2.2.5 自愿中断事件的处理方法
自愿中断事件的处理 用户程序执行访管指令而引起的 中断，它表示运行程序对操作系统 功能的调用，所以，也称“系统调 用”，可以看作是机器指令的一种 扩充。

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2）trap指令
在UNIX系统中，规定用户程序用“trap指令”来 请求系统调用
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如果用户程序在目态下执行特权指令，将 发生执行中断，这样可以防止用户程序有 意或无意地破坏系统 11
处理器的状态(3)
从管态到目态可以通过修改 PSW来实 现，这将伴随由操作系统程序到用 户程序的转换 从目态转换为管态的唯一途径是 中断
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2.1.6 程序状态字寄存器(1)

记录算术运算和逻辑运算结果 PSW寄存器包括以下内容： 的一些特征，标志着系统内部 的工作状态。如：进位标志位、 程序基本状态： (1) 下一条指令的地 奇偶标志位、正负符号标志位、 溢出标志位等 址；(2)条件码； (3）处理器状态
2.控制器
CPU 中的控制器主要包括指令寄存 器，指令译码器和控制信号发生器， 主要完成指令的翻译，并产生各种 控制信号，执行相应的指令
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2.1.4 特权指令与非特权指令
从资源管理和控制程序执行的角度出 发，必须把指令寄存器中的指令分作 两种：特权指令、非特权指令 特权指令：只允许操作系统使用，不 允许一般用户使用的指令。如启动 I/O设备、设置时钟、加载PSW等 非特权指令：除特权指令之外的指令 称为非特权指令


如果是自愿性中断：只要检查操作码 是否为访管指令； 如果是强迫性中断：则要检查中断寄 存器内容。若为0，则无中断；若非0， 则表示有中断事件发生。
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中断的概念(6)

若有中断发生，启动操作系统的中 断处理程序，保护好被中断程序的 断点及现场信息，以便程序在适当 时候能恢复运行；
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中断的概念(7)
通常，中断处理程序只屏蔽比自己级别 低的中断事件。 自愿性访管中断不能被屏蔽 电源断电中断不能被屏蔽
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中断优先级和多重中断
4、多重中断 中断正在进行处理期间，这时 CPU 又响应了新的中断事件，于是 暂时停止正在运行的中断处理程序， 转去执行新的中断处理程序，这就 叫多重中断（又称中断嵌套）。
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2.2 中断技术(1)
2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 中断的概念 中断源分类 中断处理程序 中断响应 中断事件的具体处理方法 中断的优先级和多重中断
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2.2.1 中断的概念(1)
中断是指程序执行过程中，当发 生某个事件时，中止 CPU 上现行 程序的运行，引出处理该事件的 程序执行的过程
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2.1.5 处理器的状态(1)
中央处理器怎么知道当前是操作系 统还是一般用户程序在运行呢? 处理器状态标志属于程序状态字PSW 的一位，可设置处理器成不同状态。 大多数计算机系统将CPU执行状态分为 管态和目态。
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处理器的状态(2)


管态：又叫特权态，系统态或核心态。CPU 在管态下可以执行指令系统的全集，使用 全部资源。通常，操作系统程序在管态下 运行 目态：又叫常态或用户态。CPU处于目态时， 只能执行非特权指令。用户程序只能在目 态下运行