中斷系統 中斷系統是電腦系統中響應和處理中斷的系統，包括硬體子系統和軟體子系統兩部分，中斷響應由硬體子系統完成，中斷處理由軟體子系統完成 中斷響應處理與指令執行周期 在指令執行周期最後增加一個微操作，以響應中斷 中斷裝置 電腦系統中發現並響應中斷/異常的硬體裝置稱為中斷裝置，由於中斷源的多樣性， ...
中斷系統
中斷系統是電腦系統中響應和處理中斷的系統，包括硬體子系統和軟體子系統兩部分，中斷響應由硬體子系統完成，中斷處理由軟體子系統完成
中斷響應處理與指令執行周期
在指令執行周期最後增加一個微操作，以響應中斷
中斷裝置
電腦系統中發現並響應中斷/異常的硬體裝置稱為中斷裝置，由於中斷源的多樣性，硬體實現的中斷裝置有多種，分別處理不同類型的中斷，這些中斷裝置因電腦而異，通常有：
- 處理器外的中斷：由中斷控制器發現和響應
- 處理器內的異常：由指令的控制邏輯和實現線路發現和響應，相應機制稱為陷阱
- 請求OS服務的系統異常：處理器執行陷入指令時直接觸發，相應機制稱為系統陷阱
中斷控制器
中斷控制器是CPU中的一個控制部件，包括中斷控制邏輯線路和中斷寄存器，外部設備向其發出中斷請求IRQ，在中斷寄存器中設置已發生的中斷；指令處理結束前，會檢查中斷寄存器，若有不被屏蔽的中斷產生，則改變處理器內操作的順序，引出操作系統中的中斷處理程式
陷阱與系統陷阱
陷阱與系統陷阱是指令的邏輯和實現線路的一部分，執行指令出現異常後，會根據異常情況轉向操作系統的異常處理程式，出現虛擬地址異常後，需要重新執行指令，往往越過陷阱獨立設置頁面異常處理程式，執行陷入指令後，越過陷阱處理，觸發系統陷阱，激活系統調用處理程式
中斷響應過程
- 發現中斷源，提出中斷請求
- 發現中斷寄存器中記錄的中斷
- 決定這些中斷是否應該屏蔽
- 當有多個要響應的中斷源時，根據規定的優先順序選擇一個
- 中斷當前程式的執行
- 保存當前程式的PSW/PC到核心棧
- 轉向操作系統的中斷處理程式
中斷的處理
中斷處理程式是操作系統處理中斷事件的控製程序,主要任務是處理中斷事件和恢復正常操作
中斷處理過程：
- 保護未被硬體保護的處理器狀態
- 通過分析被中斷進程的PSW中斷碼欄位，識別中斷源
- 分別處理髮生的中斷事件
- 恢復正常操作
情況一：對於某些中斷，在處理完畢後，直接返回剛剛被中斷的進程
情況二：對於其他一些中斷，需要中斷當前進程的運行，調整進程隊列，啟動進程調度，選擇下一個執行的進程並恢復其執行
中斷屏蔽
當電腦檢測到中斷時,中斷裝置通過中斷屏蔽位決定是否響應已發生的中斷,可以有選擇的響應中斷
中斷優先順序
當電腦同時檢測到多個中斷時,中斷裝置響應中斷的順序，有優先度的響應中斷，一種可能的處理次序：處理機硬體故障中斷事件、自願性中斷事件、程式性中斷事件、時鐘中斷等外部中斷事件、輸入輸出中斷事件、重啟動和關機中斷事件，不同類型的操作系統有不同的中斷優先順序
中斷的嵌套處理
當電腦響應中斷後，在中斷處理過程中，可以再響應其他中斷，操作系統是性能攸關程式系統，且中斷響應處理有硬體要求，考慮系統效率和實現代價問題，中斷的嵌套處理應限制在一定層數內，如3層，中斷的嵌套處理改變中斷處理次序，先響應的有可能後處理
多中斷的響應與處理
決定中斷處理次序的因素：
- 中斷屏蔽可以使中斷裝置不響應某些中斷
- 中斷優先順序決定了中斷裝置響應中斷的次序
- 中斷可以嵌套處理,但嵌套的層數應有限制
- 中斷的嵌套處理改變了中斷處理的次序
進程
操作系統必須全方位地管理電腦系統中運行的程式，因此操作系統為正在運行程式建立一個管理實體——進程，進程是一個具有一定獨立功能的程式關於某個數據集合的一次運行活動，進程是操作系統進行資源分配和調度的一個獨立單位，進程是操作系統進行資源分配和調度的一個獨立單位
一個進程包括五個實體部分，分別是：
- (OS管理運行程式的)數據結構P
- (運行程式的)記憶體代碼C
- (運行程式的)記憶體數據D
- (運行程式的)通用寄存器信息R
- (OS控製程序執行的)程式狀態字信息PSW
進程舉例
不同程式在不同數據集上運行：構成兩個無關進程；不同程式在相同數據集上運行：構成兩個共用數據的交往進程
相同代碼在不同數據集上運行：構成兩個共用代碼的無關進程,共用的代碼稱為可再入程式，如編輯器;可再入程式是純代碼的
前述的程式與數據集均是記憶體級的,那麼，在不同時段中針對(同一個外存數據文件)運行(同一個外存程式文件)，意味著完全不同的（P,C,D,R,Psw）,所以兩次運行構成兩個不同的進程
概念級的進程狀態
- 運行態指進程占有處理器運行
- 就緒態指進程具備運行條件等待處理器運行
- 等待態指進程由於等待資源、輸入輸出、信號等而不具備運行條件
進程掛起的概念
OS無法預期進程的數目與資源需求，電腦系統在運行過程中可能出現資源不足的情況,運行資源不足表現為性能低和死鎖兩種情況,解決辦法：剝奪某些進程的記憶體及其他資源，調入OS管理的對換區，不參加進程調度，待適當時候再調入記憶體、恢復資源、參與運行,這就是進程掛起
掛起態與等待態有著本質區別，後者占有已申請到的資源處於等待，前者沒有任何資源
進程掛起的選擇與恢復
一般選擇等待態進程進入掛起等待態,也可選擇就緒態進程進入掛起就緒態,運行態進程還可以掛起自己,等待事件結束後，掛起等待態進入掛起就緒態,一般選擇掛起就緒態進程予以恢復
進程的數據描述
進程式控制制塊,ProcessControlBlock
進程式控制制塊PCB是OS用於記錄和刻畫進程狀態及環境信息的數據結構，藉助PCB，OS可以全面管理進程的物理實體，刻畫進程的執行現狀，控制進程的執行
進程式控制制塊-標識信息
用於存放唯一標識該進程的信息：
- 系統分配的標識號
- 系統分配的進程組標識號
- 用戶定義的進程名
- 用戶定義的進程組名
進程式控制制塊-現場信息
用於存放該進程運行時的處理器現場信息：
- 用戶可見寄存器內容：數據寄存器、地址寄存器
- 控制與狀態寄存器內容：PC、IR、PSW
- 棧指針內容：核心棧與用戶棧指針
進程式控制制塊-控制信息
用於存放與管理、調度進程相關的信息：
- 調度相關信息：狀態、等待事件/原因、優先順序
- 進程組成信息：代碼/數據地址、外存映像地址
- 隊列指引元：進程隊列指針、父子兄弟進程指針
- 通信相關信息：消息隊列、信號量、鎖
- 進程特權信息：如記憶體訪問許可權、處理器特權
- 處理器使用信息：占用的處理器、時間片、處理器使用時間/已執行總時間、記賬信息
- 資源清單信息：如正占有的資源、已使用的資源
進程映像，ProcessImage
某一時刻進程的內容及其執行狀態集合：：
- 進程式控制制塊:保存進程的標識信息、狀態信息和控制信息
- 進程程式塊:進程執行的程式空間
- 進程數據塊:進程處理的數據空間，包括數據、處理函數的用戶棧和可修改的程式
- 核心棧:進程在內核模式下運行時使用的堆棧，中斷或系統過程使用
進程映像是記憶體級的物理實體，又稱為進程的記憶體映像
進程上下文，Processcontext
進程的執行需要環境支持，包括CPU現場和Cache中的執行信息,OS中的進程物理實體和支持進程運行的環境合成進程上下文，包括以下：
- 用戶級上下文：用戶程式塊/用戶數據區/用戶棧/用戶共用記憶體
- 寄存器上下文：PSW/棧指針/通用寄存器
- 系統級上下文：PCB/記憶體區表/核心棧
進程上下文刻畫了進程的執行情況
進程的管理
概念級的OS進程管理軟體
關鍵的進程管理軟體包括：：
- 系統調用/中斷/異常處理程式
- 隊列管理模塊
- 進程式控制製程序
- 進程調度程式（獨立進程居多）
- 進程通信程式（多個程式包）
- 終端登錄與作業控製程序、性能監控程式、審計程式等外圍程式
隊列管理模塊
隊列管理模塊是操作系統實現進程管理的核心模塊,操作系統建立多個進程隊列，包括就緒隊列和等待隊列,按需組織為先進先出隊列與優先隊列,隊列中的進程可以通過PCB中的隊列指引元採用單/雙指引元或索引連接,出隊和入隊操作,進程與資源調度圍繞進程隊列展開
進程的控制與管理
- 進程創建：進程表加一項，申請PCB並初始化，生成標識，建立映像，分配資源，移入就緒隊列
- 進程撤銷：從隊列中移除，歸還資源，撤銷標識，回收PCB，移除進程表項
- 進程阻塞：保存現場信息，修改PCB，移入等待隊列，調度其他進程執行
- 進程喚醒：等待隊列中移出，修改PCB，移入就緒隊列（該進程優先順序高於運行進程觸發搶占）
- 進程掛起：修改狀態並出入相關隊列，收回記憶體等資源送至對換區
- 進程激活：分配記憶體，修改狀態並出入相關隊列
- 其他：如修改進程特權進程的控制與管理
原語與進程式控制制原語
進程式控制制過程中涉及對OS核心數據結構(進程表/PCB池/隊列/資源表)的修改,為防止與時間有關的錯誤，應使用原語,原語是由若幹條指令構成的完成某種特定功能的程式，執行上具有不可分割性,原語是由若幹條指令構成的完成某種特定功能的程式，執行上具有不可分割性,原語的執行可以通過關中斷實現,進程式控制制使用的原語稱為進程式控制制原語,另一類常用原語是進程通信原語
進程切換
進程切換指從正在運行的進程中收回處理器，讓待運行進程來占有處理器運行，進程切換實質上就是被中斷運行進程與待運行進程的上下文切換，處理過程是：
- 保存被中斷進程的上下文
- 轉向進程調度
- 恢復待運行進程的上下文
模式切換
進程切換必須在操作系統內核模式下完成，這就需要模式切換，模式切換又稱處理器狀態切換，包括：
- 用戶模式到內核模式：由中斷/異常/系統調用中斷用戶進程執行而觸發
- 內核模式到用戶模式：OS執行中斷返回指令將控制權交還用戶進程而觸發
模式切換的基本工作任務
中斷裝置完成正向模式切換，包括：
- 處理器模式轉為內核模式
- 保存當前進程的PC/PSW值到核心棧
- 轉向中斷/異常/系統調用處理程式
中斷返回指令完成逆向模式轉換，包括：
- 從待運行進程核心棧中彈出PSW/PC值
- 處理器模式轉為用戶模式
進程切換的工作過程
1.(中斷/異常等觸發)正向模式切換並壓入PSW/PC
2.保存被中斷進程的現場信息
3.處理具體中斷/異常
4.把被中斷進程的系統堆棧指針SP值保存到PCB
5.調整被中斷進程的PCB信息，如進程狀態
6.把被中斷進程的PCB加入相關隊列
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7.選擇下一個占用CPU運行的進程
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8.修改被選中進程的PCB信息，如進程狀態
9.設置被選中進程的地址空間，恢復存儲管理信息
10.恢復被選中進程的SP值到處理器寄存器SP
11.恢復被選中進程的現場信息進入處理器
12.(中斷返回指令觸發)逆向模式轉換並彈出PSW/PC
進程切換的發生時機
進程切換一定發生在中斷/異常/系統調用處理過程中，常見的情況是：
- 阻塞式系統調用、虛擬地址異常導致被中斷進程進入等待態
- 時間片中斷、I/O中斷後發現更高優先順序進程
- 終止用系統調用、不能繼續執行的異常導致被中斷進程進入終止態
進程切換與模式切換
一些中斷/異常不會引起進程狀態轉換，不會引起進程切換，只是在處理完成後把控制權交回給被中斷進程，處理流程是：
- (中斷/異常觸發)正向模式切換壓入PSW/PC
- 保存被中斷進程的現場信息
- 處理中斷/異常
- 恢復被中斷進程的現場信息
- (中斷返回指令觸發)逆向模式轉換彈出PSW/PC
