《外部中斷》課件

外部中斷外部中斷是指來自系統(tǒng)外部的事件，例如按鍵按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊或定時(shí)器中斷。這些事件會(huì)打斷程序的正常執(zhí)行，并觸發(fā)相應(yīng)的處理程序來處理這些外部事件。課程簡介課程目標(biāo)深入了解外部中斷的工作原理、機(jī)制及應(yīng)用掌握中斷處理流程、中斷服務(wù)程序(ISR)的編寫方法學(xué)習(xí)中斷控制器、中斷優(yōu)先級、嵌套中斷等概念課程內(nèi)容介紹中斷的概念、類型及發(fā)生機(jī)制重點(diǎn)講解外部中斷的處理流程、中斷向量表、中斷控制器結(jié)合案例分析，展示中斷在操作系統(tǒng)中的重要應(yīng)用中斷的定義外部事件中斷是一種機(jī)制，用于處理來自外部設(shè)備的事件。CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)移當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序(ISR)中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)處理中斷事件，完成特定的操作，然后將控制權(quán)返回給被中斷的程序。中斷的類型11.硬件中斷由硬件設(shè)備觸發(fā)，例如鍵盤按下、磁盤讀取完成等。22.軟件中斷由程序代碼主動(dòng)觸發(fā)，例如系統(tǒng)調(diào)用。33.內(nèi)核中斷由內(nèi)核自身觸發(fā)，例如定時(shí)器中斷。44.外部中斷由外部設(shè)備觸發(fā)，例如串口接收數(shù)據(jù)。硬件中斷外部事件觸發(fā)硬件中斷由外部設(shè)備或硬件事件引發(fā)，例如鍵盤按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊、磁盤讀寫完成等。中斷請求當(dāng)硬件設(shè)備發(fā)生中斷事件時(shí)，會(huì)向處理器發(fā)出中斷請求信號，通知處理器需要處理該事件。中斷控制器中斷控制器負(fù)責(zé)接收來自各硬件設(shè)備的中斷請求，并將其傳遞給處理器，實(shí)現(xiàn)中斷的管理和控制。中斷響應(yīng)處理器接收到中斷請求后，會(huì)停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，保存當(dāng)前狀態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。軟件中斷程序主動(dòng)觸發(fā)軟件中斷由程序指令（例如INT或SVC指令）引發(fā)，通常用于請求操作系統(tǒng)服務(wù)或進(jìn)行特定操作。調(diào)試和測試軟件中斷可用于程序調(diào)試，例如設(shè)置斷點(diǎn)或檢查程序狀態(tài)，幫助開發(fā)人員定位和解決問題。異常處理當(dāng)程序遇到異常情況（如除零錯(cuò)誤或內(nèi)存訪問錯(cuò)誤）時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)通過軟件中斷來處理這些異常并進(jìn)行恢復(fù)。內(nèi)核中斷內(nèi)核事件觸發(fā)由操作系統(tǒng)內(nèi)部事件引起，例如計(jì)時(shí)器中斷、內(nèi)存管理錯(cuò)誤等。系統(tǒng)維護(hù)用于處理內(nèi)核級錯(cuò)誤、執(zhí)行系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)，例如內(nèi)存回收、文件系統(tǒng)檢查等。時(shí)間管理內(nèi)核中斷用于維護(hù)系統(tǒng)時(shí)間、執(zhí)行定時(shí)任務(wù)，例如定期更新系統(tǒng)時(shí)鐘。外部中斷外部事件觸發(fā)外部設(shè)備或事件發(fā)送信號，通知處理器進(jìn)行處理。中斷請求信號通過中斷控制器向處理器發(fā)送中斷請求。中斷處理過程處理器暫停當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。應(yīng)用場景鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)接口等外設(shè)都需要使用外部中斷進(jìn)行處理。中斷的發(fā)生機(jī)制事件觸發(fā)外部硬件設(shè)備發(fā)生事件，比如按鍵按下、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)、定時(shí)器超時(shí)。中斷信號硬件設(shè)備向CPU發(fā)送中斷信號，通知CPU發(fā)生了事件。中斷處理CPU接收中斷信號，暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，進(jìn)入中斷處理流程。中斷服務(wù)程序CPU執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，處理中斷事件，并恢復(fù)被中斷的程序。中斷的處理流程1中斷發(fā)生CPU接收中斷信號2保存上下文保存當(dāng)前程序狀態(tài)3執(zhí)行ISR處理中斷事件4恢復(fù)上下文恢復(fù)中斷前的程序狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)接收到中斷信號時(shí)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，保存其運(yùn)行狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序(ISR)進(jìn)行處理。處理完成后，CPU會(huì)恢復(fù)之前保存的程序狀態(tài)并繼續(xù)執(zhí)行。中斷服務(wù)程序(ISR)中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序是操作系統(tǒng)中專門用來處理中斷事件的代碼。ISR代碼通常簡潔高效，專注于完成中斷事件的處理邏輯，比如讀取中斷信息、更新狀態(tài)或執(zhí)行特定操作。中斷處理流程中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)立即停止當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行ISR代碼。ISR代碼執(zhí)行完畢后，CPU會(huì)恢復(fù)之前中斷的執(zhí)行狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行之前中斷的代碼。關(guān)鍵寄存器介紹狀態(tài)寄存器(PSW)狀態(tài)寄存器存儲(chǔ)CPU的狀態(tài)信息，例如當(dāng)前運(yùn)行模式、中斷使能狀態(tài)和標(biāo)志位。程序計(jì)數(shù)器(PC)程序計(jì)數(shù)器指向下一條要執(zhí)行的指令地址，用于控制程序的流程。堆棧指針(SP)堆棧指針指向堆棧的頂部，用于管理函數(shù)調(diào)用、局部變量和中斷處理。中斷向量表11.地址映射中斷向量表保存了每個(gè)中斷類型對應(yīng)的處理程序地址，它將中斷號映射到內(nèi)存地址。22.快速響應(yīng)中斷發(fā)生后，CPU可以快速定位到相應(yīng)的處理程序，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。33.統(tǒng)一管理集中管理所有中斷處理程序的地址，方便系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。中斷控制器硬件組件中斷控制器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)專用硬件組件，負(fù)責(zé)管理和處理來自各個(gè)設(shè)備的中斷請求。中斷優(yōu)先級中斷控制器可以根據(jù)中斷請求的優(yōu)先級進(jìn)行排序，確保重要的中斷請求能夠及時(shí)得到處理。中斷屏蔽中斷控制器可以屏蔽某些中斷請求，例如，當(dāng)系統(tǒng)處于關(guān)鍵操作時(shí)，可以屏蔽一些非緊急的中斷請求。中斷向量表中斷控制器會(huì)維護(hù)一個(gè)中斷向量表，用于將中斷請求映射到對應(yīng)的中斷處理程序。中斷優(yōu)先級11.優(yōu)先級設(shè)置每個(gè)中斷源都有一個(gè)優(yōu)先級，用于決定中斷的響應(yīng)順序。22.高優(yōu)先級優(yōu)先如果多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先處理優(yōu)先級最高的中斷。33.中斷優(yōu)先級表操作系統(tǒng)維護(hù)一張中斷優(yōu)先級表，用于記錄每個(gè)中斷源的優(yōu)先級。44.中斷屏蔽可以通過屏蔽低優(yōu)先級中斷來保證高優(yōu)先級中斷的及時(shí)響應(yīng)。嵌套中斷中斷嵌套嵌套中斷是指在一個(gè)中斷服務(wù)程序執(zhí)行過程中，另一個(gè)中斷發(fā)生，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)保存當(dāng)前中斷服務(wù)程序的上下文，并跳轉(zhuǎn)到新中斷的服務(wù)程序執(zhí)行。優(yōu)先級處理嵌套中斷的處理需要遵循優(yōu)先級規(guī)則，高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序。中斷鏈多個(gè)中斷嵌套執(zhí)行時(shí)，會(huì)形成一個(gè)中斷鏈，最后需要返回到最開始被打斷的中斷服務(wù)程序。中斷屏蔽中斷屏蔽的目的中斷屏蔽是防止某些中斷被處理的一種機(jī)制。例如，當(dāng)一個(gè)設(shè)備正在進(jìn)行一項(xiàng)關(guān)鍵操作時(shí)，為了避免被其他中斷打斷，可以對該設(shè)備的中斷進(jìn)行屏蔽。中斷屏蔽可以提高系統(tǒng)效率，防止中斷處理程序被不必要的請求占用，影響系統(tǒng)性能。中斷屏蔽的方法中斷屏蔽通常通過設(shè)置中斷控制器中的相關(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)中斷源都有一個(gè)對應(yīng)的屏蔽位，將該位設(shè)置為1就可以屏蔽該中斷。例如，通過設(shè)置中斷控制器的屏蔽寄存器，可以屏蔽掉來自某個(gè)特定設(shè)備的硬件中斷。中斷延遲中斷延遲中斷延遲是指從中斷發(fā)生到中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行的時(shí)間間隔。因素影響中斷延遲受多種因素影響，包括處理器速度、中斷處理程序的復(fù)雜度以及操作系統(tǒng)調(diào)度策略等。影響性能中斷延遲過長會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變慢，影響系統(tǒng)性能和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)調(diào)用11.用戶空間和內(nèi)核空間用戶進(jìn)程無法直接訪問內(nèi)核資源，需要通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核空間。22.內(nèi)核提供的服務(wù)系統(tǒng)調(diào)用為用戶提供訪問硬件、管理資源、控制進(jìn)程等系統(tǒng)服務(wù)。33.特權(quán)指令執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用通常涉及執(zhí)行特權(quán)指令，需要內(nèi)核權(quán)限才能執(zhí)行。44.提升程序能力通過系統(tǒng)調(diào)用，用戶程序可以執(zhí)行超出自身權(quán)限的操作，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)調(diào)用流程1用戶程序請求應(yīng)用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用指令2陷入內(nèi)核CPU切換到內(nèi)核模式3內(nèi)核處理內(nèi)核執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)4返回結(jié)果內(nèi)核將結(jié)果返回給用戶程序用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用指令，將控制權(quán)交給內(nèi)核，由內(nèi)核完成相應(yīng)的操作，并將結(jié)果返回給用戶程序。系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的方式供用戶程序訪問內(nèi)核功能。內(nèi)核代碼內(nèi)核代碼實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用功能，例如文件系統(tǒng)訪問、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理等。用戶程序用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用接口來請求內(nèi)核執(zhí)行特定操作。系統(tǒng)調(diào)用的應(yīng)用進(jìn)程管理系統(tǒng)調(diào)用用于創(chuàng)建、終止、掛起和恢復(fù)進(jìn)程。它們還用于設(shè)置進(jìn)程優(yōu)先級和分配內(nèi)存。文件管理系統(tǒng)調(diào)用用于打開、關(guān)閉、讀取和寫入文件。它們還用于創(chuàng)建、刪除和重命名文件。設(shè)備管理系統(tǒng)調(diào)用用于訪問和控制設(shè)備。它們還用于處理中斷和其他硬件事件。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)調(diào)用用于建立、維護(hù)和斷開網(wǎng)絡(luò)連接。它們還用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。信號機(jī)制異步事件通知信號是軟件中斷的一種形式，用于通知進(jìn)程發(fā)生特定事件。進(jìn)程間通信信號允許進(jìn)程之間進(jìn)行異步通信，傳遞信息或觸發(fā)特定操作。錯(cuò)誤處理信號可以用來捕獲程序錯(cuò)誤，例如除零錯(cuò)誤或內(nèi)存訪問錯(cuò)誤。信號的定義異步事件通知信號是操作系統(tǒng)發(fā)送給進(jìn)程的異步事件通知，用于通知進(jìn)程發(fā)生了某種事件，如中斷、錯(cuò)誤或用戶請求。軟件中斷信號可以被視為軟件中斷，它們會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程暫停當(dāng)前執(zhí)行的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的信號處理函數(shù)。信號處理函數(shù)進(jìn)程可以通過注冊信號處理函數(shù)來定義當(dāng)收到特定信號時(shí)應(yīng)該執(zhí)行的操作。信號的類型異步信號由硬件事件觸發(fā)，例如中斷。中斷信號是系統(tǒng)響應(yīng)外部事件的機(jī)制。同步信號由軟件事件觸發(fā)，例如進(jìn)程之間的通信。進(jìn)程間通信信號用于協(xié)調(diào)不同進(jìn)程的行為。信號的處理信號捕捉進(jìn)程可以通過調(diào)用`sigaction()`函數(shù)設(shè)置信號處理函數(shù)，當(dāng)進(jìn)程收到信號時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用該處理函數(shù)。信號忽略進(jìn)程可以通過調(diào)用`signal()`函數(shù)將信號設(shè)置為SIG_IGN，表示忽略該信號。信號默認(rèn)處理如果進(jìn)程沒有為信號設(shè)置處理函數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行信號的默認(rèn)處理方式，通常是終止進(jìn)程或暫停進(jìn)程。信號的傳遞11.進(jìn)程間信號可以在不同的進(jìn)程之間傳遞，使進(jìn)程之間能夠互相通知。22.異步信號的傳遞是異步的，即信號可以在任何時(shí)間點(diǎn)到達(dá)，不受進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)的影響。33.阻塞信號的傳遞可以被阻塞，這意味著進(jìn)程可以選擇忽略某些類型的信號。44.隊(duì)列信號的傳遞是通過信號隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)與之相關(guān)的信號隊(duì)列。信號的阻塞阻塞機(jī)制阻止信號對進(jìn)程的影響，使進(jìn)程無法接收或處理特定信號。信號屏蔽字使用信號屏蔽字來控制哪些信號被阻塞，哪些信號被允許傳遞。阻塞作用防止程序被意外中斷，例如在關(guān)鍵代碼段執(zhí)行期間避免信號干擾。信號的實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)信號在操作系統(tǒng)內(nèi)核中通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)，利用硬件中斷來模擬信號發(fā)生。軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)核維護(hù)一個(gè)信號表，記錄每個(gè)進(jìn)程的信號處理函數(shù)和信號掩碼。進(jìn)程間通信信號可以跨進(jìn)程傳遞，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的異步通信。應(yīng)用案例分析外部中斷在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，例如，鍵盤輸入、鼠標(biāo)點(diǎn)擊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收等都是通過外部中斷實(shí)現(xiàn)的。以鍵盤輸入為例，當(dāng)用戶按下鍵盤上的某個(gè)鍵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，操作系統(tǒng)會(huì)處理該中斷信號，并將用戶輸入的字符存入緩沖區(qū)。操作系統(tǒng)可以根據(jù)中斷信號來判斷用戶的操作，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。課程總結(jié)中斷機(jī)制中斷是操作系統(tǒng)中重要