操作系统-中断异常机制

操作系统

操作系统运行环境与运行机制

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操作系统运行环境
    CPU状态
    中断/异常机制
运行机制
    系统调用    
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中央处理器（CPU）： 运算器，控制器，一系列寄存器 以及 高速缓存 构成
    两类寄存器： 
        用户可见寄存器： 高级语言编译器分配使用，减少程序访问内存次数
        控制和状态寄存器： 控制处理器的操作，操作系统代码使用
常见控制状态寄存器： 
    程序计数器（PC program counter）：记录将要取出指令的地址  
    指令寄存器（IR instruction register）： 记录最近取出的指令
    程序状态字（PSW program status word） ： 记录处理器的运行状态，如条件码，模式，控制位等信息

操作系统需求 – 保护

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从特征考虑： 并发，共享
    提出要求： 保护和控制

硬件提供基本运行机制： 
    处理器具有特权级别，能在不同的特权级别下运行不同的指令集合
    硬件机制可将 OS 和 用户程序隔离

处理器状态（模式）

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现代处理器，cpu状态分为 二，三，或四种
在 程序状态字寄存器中，专门设置一位，根据运行程序 对资源和指令的使用权限，设置不同的CPU状态

操作系统需要两种 CPU状态

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内核态（kernel mode）： 运行操作系统程序   
用户态（User mode）： 运行用户程序 

特权指令 : 只能操作系统使用
非特权指令 ： 用户程序可以使用的指令  （操作系统也能使用）

例子： x86系列处理器

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支持 4 个特权级别， 称为特权环： R0， R1， R2， R3
R0相当于 内核态
R3相当于 用户态
R1，R2 介于之间
不同级别能运行的指令集合不同

目前大部分基于x86的操作系统都只使用了  R0，R3 两个级别

CPU状态之间的转换

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用户态 -》 内核态
    唯一途径： 中断/异常/陷入机制

内核态 -》 用户态
    设置程序状态字PSW
    
一条特殊的指令： 陷入指令 （又称 访管指令， 用户态访问管理态的指令）        
    提供给用户程序的接口，用户调用操作系统的服务
    例如： int， trap， syscall， sysenter/sysexit

中断与异常机制

  • 介绍
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重要性： 好比汽车的发动机
可以说： 操作系统是 由 "中断驱动" 或 "事件驱动" 的
主要作用： 
   处理设备发来的中断请求
   捕获用户程序提出的服务请求
   防止用户程序执行过程中的破坏性活动
   等等
   
概念： 
    CPU对系统发送的某个事件做成的一种反应 （事件的发送改变处理器的控制流）
    CPU暂停正在执行的程序， 保留现场，去执行相应的事件处理程序，处理完成后返回断点继续执行
    
特点： 
    随机发送
    自动处理
    可恢复
    
中断的引入： 
    支持CPU和设备之间的并行操作
异常的引入： 
    CPU执行指令时本身出现的问题 (错误异常处理程序，系统调用)
    
事件： 
    中断（外中断）：I/O中断，时钟中断，硬件故障    -- 外部事件
    异常（内中断）：系统调用，页故障，保护性异常，断点指令，程序性异常 -- 执行本身程序引发的
  • 工作原理
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软硬件配合完成
硬件 -- 中断/异常的响应： 
    捕获中断源发出的 中断/异常请求，以一定方式响应，将处理器控制器交给特定的处理程序
软件 -- 中断/异常的处理程序：
    识别 中断/异常类型 并完成相应处理
    
中断响应： 
    处理器中有 中断寄存器
    响应过程： CPU执行每条指令后扫描中断寄存器，若有中断，将中断触发器内容编码进入PSW相应位（中断码），查中断向量表，执行中断处理程序    
    
中断向量： 
    一个内存单元 - 存放 中断处理程序入口地址 和 程序运行所需的处理机状态字
    
中断处理程序： 
    设计操作系统时，为每一类中断编好处理程序，设置好中断向量表

linux中断向量表

  • x86处理器 的中断/异常
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中断： 硬件引发
异常： 除零异常等， x86大概20种异常
    系统调用： 用户态到内核态的唯一入口，是异常的一种 
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中断控制器（PIC 、 APIC） ：将中断信号转换为 中断向量，引发CPU中断

实模式： 中断向量表
    存放中断服务程序的入口地址

保护模式：  中断描述符表
    采用 门（gate）描述符 数据结构 表示中断向量
    门描述符类型：
        任务门
        中断门 （主要使用）： 中断门后 系统自动禁止中断
        陷阱门 （主要使用）： 系统不禁止，可继续接收中断
        调用门

中断/异常 的硬件处理过程

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确定 中断向量i
通过IDTR寄存器，找到IDT中断描述符表， 查到第i项 中断描述符
通过GDTR寄存器，找到GDT段描述符表，根据中断描述符中的段描述符，从GDT中获取到 中断处理程序的 段基址
过程中需要多次特权级别检查

检查是否发送特权级别变化，是则堆栈切换 （用户态，内核态切换 - 使用相应权级的堆栈）
硬件压栈，保存上下文环境
如果是中断门， 则清IF位，禁止继续接收中断， 陷阱门则不管
根据 中断描述符的 段内偏移量 和 段描述符的段基址， 获取中断程序入口地址，进入执行

系统调用

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用户在编程时可以调用的操作系统功能
CPU 从用户态 到 内核态的唯一入口

每种操作系统都提供几百种系统调用
    进程控制
    进程通信
    文件使用
    目录操作
    设备管理
    信息维护等等
  • 系统调用， 库函数， 内核函数 概念区分
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内核函数 是 系统调用 的处理程序
库函数 是对 内核函数的分装 （如c库函数）

应用程序可以直接调用内核函数来进行系统调用， 但一般是操作 库函数 来进行
  • 系统调用机制的设计
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中断/异常机制 -- 来支持 系统调用的实现
一条特殊指令， 陷入指令（又称访管指令）  -- 引发异常，完成用户态到内核态的切换
系统调用号和参数 -- 每个系统调用事先给定编号（功能号）
系统调用表 -- 存放系统调用程序的入口地址


参数传递问题： 用户程序参数传递给内核
    1. 陷入指令自带参数： 长度有限，参数有限
    2. 通过寄存器传递（主要）： 操作系统和用户程序都能访问的寄存器， 数量有限，参数有限
    3. 内存中开辟专门的堆栈区
  • 系统调用执行过程
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CPU 执行到特殊的陷入指令： 
    中断/异常机制： 硬件保护现场； 查中断向量表， 最终把CPU控制权交给 系统调用总入口程序
    系统调用总入口程序： 保存现场；参数保存进内核的堆栈，查系统调用表 把控制权转交给 相应系统调用的处理程序/内核函数
    执行系统调用
    恢复现场，返回用户程序
  • 基于x86内核的 linux系统调用实现
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陷入指令 为128号：  
    int $0x80
门描述符：     
    系统初始化时，对IDT表中的128号门初始化对应中断了
    门描述符2，3字节标识 段选择符， 0，1，6，7字节为偏移量， 最终能对应到 system_call() 中断总入口
    门类型： 15 陷阱门，支持调用过程仍允许接收中断
    DPL特权级别： 3， 与用户级别相同， 允许用户进程使用该门描述符  （是用户发起的系统调用，所以必须是3） 
    
执行 int $0x80 命令
    特权级别的改变， 切换栈  用户栈 -》 内核栈。   CPU指向新的栈地址
    信息压栈， 最后返回使用
    找到 系统调用内核函数入口地址，执行

中断发送后操作系统的工作步骤