操作系统原理 —— 什么是中断？（四）

我们先来看看早期的计算机的工作流程：

如上图，在早期的计算机假设有三个程序需要执行，执行顺序是：先执行程序1，等待程序1结束之后，再开始执行程序2，以此类推，所以它们是串行执行的，这种方式效率就比较低，为了能够使计算机能够同时执行多个程序，从而引入了中断机制。

什么是中断？

为了解决程序只能串行执行的问题，人们发明了操作系统，操作系统相当于计算机的管理者，并且引入了中断机制，实现了多道程序并发执行。

也就是说，在多个程序同时执行的时候，如果发生了中断就意味着需要操作系统来介入，展开管理工作。

官方的定义：中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

从官方的定义来看，中断其实就是为了支持多道程序并发执行 。

中断的概念和作用

我们再来详细看下中断的各个步骤所需要做的事：

1、当中断发生时，CPU 会立即进入核心态。

2、当中断发生后，当前运行的进程会被暂停执行，并且由操作系统内核对中断进行处理。

3、对于不同的中断信息，会进行不同的处理。

发生了中断，就意味着需要计算机操作系统介入，展开管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用到特权指令，因此 CPU 要从用户态转为内核态。

中断可以使 CPU 从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权，有了中断，才能实现多道程序并发执行。

我们再来回顾一下前面两个章节的内容，如下图：

在之前的章节有说过，CPU 为了区分什么时候执行特权指令，从而定义了两种状态，一个是内核态，一个是用户态。 那它们之间如何进行切换呢？

用户态 切换 核心态，由于用户态无法执行特权指令，所以只能通过中断机制，来让操作系统切换为核心态，并且中断是唯一的途径。

核心态 切换 用户态，由于核心态即可以执行特权指令又可以执行非特权指令，所以只需要通过特权指令就可以切换为用户态。

中断的分类

如上图所示，中断可以分为:内中断、外中断

内中断：信号的来源是 CPU 的内部，与当前执行的指令有关，并且内中断又可以分为自愿中断、强迫中断。

外中断：信号的来源是 CPU 的外部，与当前执行的指令无关。

在关于中断的分类还可以安装下图来进行区分：

外中断处理的过程

我们再来看看外中断的处理过程：

如上图，本来用户程序需要执行指令1～5：

1、执行完每一个指令之后，CPU 都要检查当前是否有外部中断信号。

2、如果检查到外部中断信息，则需要保护被中断进程的 CPU 环境 （类似于 Java 多线程上下文切换，保护现场）。

3、根据中断信息类型转入相应的中断处理程序。

4、处理完中断之后，恢复原进程的 CPU 环境并且退出中断，返回原进程继续往下执行。

本章总结