【操作系统学习笔记二】中断（异常）和系统调用

第一部分：中断（异常）

1.中断的类型

（1）内中断（异常，例外）

与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。

1）陷阱，陷入（trap）

由陷入指令引发，是应用程序故意引发的

2)故障（fault）

由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。

3)终止（abort）

由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令。

（2）外中断（中断）

与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

1)时钟中断

2）I/O中断请求

2.中断的作用

• CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。操作系统内核程序是整个系统的管理者。“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
• 在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序；“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
• 内核态-->用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
• 用户态-->内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

3.内中断的例子

有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。

执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

4.外中断的例子

时钟部件每隔一个时间片（如 50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号，当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号。

5.中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

第二部分 系统调用

1.什么是系统调用，有何作用？

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

2.系统调用与库函数的区别

普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

不涉及系统调用的库函数：如的“取绝对值”的函数。

涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数。

3.为什么系统调用是必须的？

生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了 WPS 的“打印”选项，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 Word 的“打印”按钮，开始打印他自己的论文。

如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？

两个进程并发运行，打印机设备交替地收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供
“系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统
调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

4.什么功能要用到系统调用？

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

5.系统调用的过程

传递系统调用参数-->执行陷入指令（用户态）-->执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）-->返回应用程序

注意：
1.陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行