在操作系统中引入核心态和用户态这两种工作状态后,就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在核心态,而用户程序工作在用户态。但系统不允许用户程序实现核心态的功能,而它们又必须使用这些功能。因此,需要在核心态建立一些“门”,实现从用户态进入核心态。在实际操作系统中,CPU 运行上层程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。当中断或异常发生时,运行用户态的 CPU 会立即进入核心态,这是通过硬件实现的(例如,用一个特殊寄存器的一位来表示 CPU 所处的工作状态,0 表示核心态,1 表示用户态。若要进入核心态,只需将该位置 0 即可)。中断是操作系统中非常重要的一个概念,对一个运行在计算机上的实用操作系统而言,缺少了中断机制,将是不可想象的。
中断(Interruption),也称外中断,指来自 CPU 执行指令以外的事件的发生,如设备发出的 I/O 结束中断,表示设备输入/输出处理已经完成,希望处理机能够向设备发下一个输入 / 输出请求,同时让完成输入/输出后的程序继续运行。时钟中断,表示一个固定的时间片已到,让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前程序运行无关的事件,即它们与当前处理机运行的程序无关。
异常(Exception),也称内中断、例外或陷入(Trap),指源自CPU执行指令内部的事件,如程序的非法操作码、 地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页以及专门的陷入指令等引起的事件。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场,而且异常不能被屏蔽,一旦出现应立即处理。关于内中断和外中断的联系与区别如下图所示。
- 当中断发生时,CPU 立即进入核心态
- 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理
- 对于不同的中断信号,会进行不同的处理
发生了中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配 I/O 设备等)需要使用特权指令,因此 CPU 要从用户态转为核心态。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。
问:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
答:“用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。“核心态->用户态”的切换是通过执行一个特权指令,将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”。
内外中断的区别在于信号的来源(CPU内部和外部)以及与当前执行的指令是否有关。
另一种分类方式:
外中断的处理过程