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操作系统(中断 异常 陷阱) ─── linux第28课

news 来源：原创 2025/5/9 4:43:14

目录

1.硬件中断

2. 时钟中断

3. OS本质

4. 软件中断

缺页中断？内存碎片处理？除零野指针错误？

操作系统本质总结

操作系统是对软件硬件资源管理的软件

1.硬件中断

  • 中断向量表(IDT)就是操作系统的⼀部分，启动就加载到内存中了,中断向量表本质就是函数指针表
  • 由外部设备触发的，中断系统运行流程，叫做硬件中断
  • 通过外部硬件中断(外设物理电路链接了cpu的针脚)，操作系统就不需要对外设进行任何周期性的检测或者轮询.
  • 假设用户按下键盘上的一个键，键盘硬件会发送一个中断信号给CPU。CPU检测到这个信号后，保存当前程序状态，跳到键盘中断服务例程处理按键输入(根据中断号+查表执行处理方法)，完成后，CPU恢复之前程序的状态，继续执行。

硬件中断的流程通常包括以下几个步骤：

  1. 中断触发：当外部设备或系统内部条件满足中断触发条件时，它会向CPU发送一个中断信号。

  2. 中断响应：CPU检测到中断信号后，会暂停当前正在执行的程序，保存当前程序的状态（包括程序计数器、寄存器状态等）。

  3. 中断服务例程（Interrupt Handler）：CPU根据传入的中断号跳转到预定义的中断服务例程（Interrupt Service Routine，ISR）地址(此地址在操作系统中的中断向量表)执行。此时知道了中断号和中断向量表 ,使用IDT[终端号]就可以执行处理方法

  4. 中断处理：中断服务例程执行实际处理中断事件，如读取键盘输入、处理错误恢复、更新定时器处理等。

  5. 中断返回：中断服务例程完成后，CPU从中断返回到被暂停的程序继续执行，恢复之前的状态。

2. 时钟中断

问题:

  1. 问题一: 进程可以在操作系统的指挥下，被调度，被执行，那么操作系统自己被谁指挥，被谁推动执行呢？
  2. 问题二: 外部设备可以触发硬件中断，但是这个是需要用户或者设备自己触发，有没有自己可以定期触发的设备?
  • 计算机中需要严格把控时间,例如单cpu执行多进程需要调度(调度不一定是切换,进程时间片到了才需要切换),要严格按照时间片.
  • 时钟源（Clock Source）是提供时间基准信号的设备或机制,老式的时钟源在cpu外部 ,新式的时钟源在CPU内部
  • 时钟源以固定周期一直发硬件中断给CPU ,时钟源的IDT[终端号] 的中断服务是进程调度  (类似于硬件中断的中断服务是外设相关操作) ,可以使得OS一直调度进程 . 时钟源每触发一次 正在调度的进程时间片就减少一次,减完了就切换进程  ,这样，操作系统不就在硬件的推动下，自动调度了么！！！
  • 时钟源的频率也就是主频 ,也就解释了CPU为什么会有主频？为什么主频越快，CPU越快？

答案一: OS在被时钟源推动执行

答案二:时钟源自己以固定周期触发 

3. OS本质

如果是这样，操作系统不就可以躺平了吗？对，操作系统自己不做任何事情，需要什么功能，就向中断向量表里面添加方法即可. 

操作系统的本质：就是⼀个死循环！

void main(void) /* 这⾥确实是void，并没错。 */ 
{    /* 在startup 程序(head.s)中就是这样假设的。 */ .../** 注意!! 对于任何其它的任务，'pause()'将意味着我们必须等待收到⼀个信号才会返 * 回就绪运⾏态，但任务0（task0）是唯⼀的意外情况（参⻅'schedule()'），因为任 * 务0 在任何空闲时间⾥都会被激活（当没有其它任务在运⾏时）， * 因此对于任务0'pause()'仅意味着我们返回来查看是否有其它任务可以运⾏，如果没 * 有的话我们就回到这⾥，⼀直循环执⾏'pause()'。 */for (;;)pause();} // end main

4. 软件中断

  • 上述外部硬件中断，需要硬件设备触发。
  • 有没有可能，因为软件原因，也触发上面的逻辑？有！叫做软中断
  • 软中断的目的是执行系统调用
  • 为了让操作系统支持进行系统调用，CPU也设计了对应的汇编指令(int 0X80或者 syscall),可以让CPU内部触发中断逻辑 .
  • 64位机器是syscall   ,32位机器是int 0x80

软中断过程: 先将想要调用的系统调用接口在系统调用表(sys_call_table)的下标index给CPU ,然后执行int 0X80或syscall 触发软中断,让CPU陷入内核阶段 ,OS会执行软中断服务中的sys_call_table[index]方法

问题：

  • 用户层怎么把系统调用号给操作系统？寄存器(⽐如EAX)
  • 操作系统怎么把返回值给用户？寄存器或者⽤⼾传⼊的缓冲区地址
  • 系统调用的过程，其实就是先int 0x80、syscall陷⼊内核，本质就是触发软中断，CPU就会自动执行系统调用的处理方法，而这个方法会根据系统调用号，自动查表，执行对应的方法
  • 系统调用号的本质：数组下标！

但是为什么我们在代码中调用系统调用接口用的都是::fork()  ::close()之类的 ,没有传过系统调用号 ,更不用说int 0x80、syscall了?

那是因为Linux的glibC标准库，给我们把⼏乎所有的系统调⽤全部封装了。

缺页中断？内存碎片处理？除零野指针错误？

缺页中断？内存碎⽚处理？除零野指针错误？这些问题，全部都会被转换成为CPU内部的软中断， 然后走中断处理例程，完成所有处理。有的是进行申请内存，填充页表，进行映射的。有的是用来 处理内存碎⽚的，有的是⽤来给⽬标进⾏发送信号，杀掉进程等等。

操作系统本质总结

中断是操作系统的“神经系统”，让CPU能高效响应外部事件，同时保证多任务调度的灵活性

  • 操作系统就是躺在中断处理例程上的代码块！也就是操作系统广泛利用中断机制来协调硬件与软件的交互
  • CPU内部的软中断，⽐如int 0x80或者syscall，我们叫做 陷阱 
  • CPU内部的软中断，⽐如除零/野指针等，我们叫做 异常。（所以，能理解“缺页异常” 为什么这么叫了吗？）
  • 陷阱(进程主动调用系统调用)和异常(CPU执行出错) 都是触发软件异常

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