天脉(ACoreOS)操作系统培训第六章：异常、中断与定时器
操作系统的中断处理与异常处理机制
操作系统的中断处理与异常处理机制
在计算机系统中，操作系统是一个管理和协调系统资源的软件，中断处理和异常处理是操作系统的核心功能之一。中断处理和异常处理机制使得操作系统能够及时响应硬件设备或软件程序的请求，并采取相应的措施进行处理，保证系统的稳定性和可靠性。本文将详细介绍操作系统的中断处理与异常处理机制。
一、中断处理机制
中断是指在计算机系统运行过程中，某个硬件设备或者软件程序发出的一种请求，通过打断正常的程序执行流程，通知操作系统去处理该请求。中断可以分为硬件中断和软件中断两类。
1. 硬件中断
硬件中断是由硬件设备发生的一种中断事件，比如外设设备的输入输出操作，时钟中断等。当硬件设备发生中断事件后，会向处理器发送一个中断信号，处理器暂停当前的执行任务，保存当前的上下文信息，并转入中断处理程序来处理中断事件。中断处理程序会根据中断类型来执行相应的操作，比如读取输入设备的数据，将数据写入输出设备等。处理完中断事件后，处理器会恢复之前被中断的任务继续执行。
2. 软件中断
软件中断是由软件程序主动触发的一种中断事件，也称为系统调用。软件中断通常由用户态程序调用系统库函数来完成，通过系统调用指令将自己的执行权限转交给操作系统，由操作系统代为执行相应的操作。常见的软件中断包括文件读写操作、进程创建与销毁等系统调用。
中断处理机制的优点在于能够及时响应外部设备和软件程序的请求，提高了系统的实时性和处理能力。同时，使用中断处理机制可以实现很多复杂的功能，比如多任务处理、设备驱动程序等。
二、异常处理机制
异常是指在程序执行过程中出现的一种非正常情况，例如非法指令、除数为零等。异常处理机制能够捕捉这些异常事件并进行相应的处理。异常处理机制主要分为硬件异常和软件异常两类。
1. 硬件异常
硬件异常指的是由硬件设备产生的异常事件，如页错误、越界访问等。当硬件设备检测到异常事件后，会向处理器发送一个异常信号，处理器会中断当前任务的执行，并把当前的上下文信息保存起来，然后转入异常处理程序去处理异常事件。异常处理程序会根据异常类型进行相应的处理，例如内存管理单元可以重新分配内存，防止页错误。
操作系统的中断处理与异常机制
操作系统的中断处理与异常机制
在计算机系统中，操作系统起着至关重要的作用，它负责管理和控制计算机硬件资源，提供用户与计算机的交互界面。而操作系统的中断处理与异常机制是其核心功能之一。本文将探讨操作系统中断处理与异常机制的原理和作用。
一、中断处理机制
中断是操作系统与外部设备进行通信的一种方式，它可以打断正在运行的程序，使操作系统能够及时响应外部设备的请求。中断的触发通常由硬件设备或软件指令发起。
1. 中断分类
中断可以分为硬件中断和软件中断两种。
硬件中断是由外部设备引起的，并且是在计算机系统的内核态中操作。常见的硬件中断包括时钟中断、键盘中断、磁盘中断等。时钟中断用于实现操作系统的时间片轮转调度算法，键盘中断用于读取用户的输入，磁盘中断用于处理磁盘读写操作等。
软件中断是由系统调用指令或异常指令发起的，常用于用户程序与操作系统之间的通信。用户程序可以通过软件中断请求操作系统提供的服务，如文件读写、进程创建等。
2. 中断处理步骤
中断处理包括以下步骤： （1）中断请求发生：硬件设备或软件指令触发中断请求。
（2）中断服务例程保存现场：当前正在执行的指令和寄存器状态等被保存起来，以便在中断处理完毕后能够回到原来的执行点。
（3）中断服务例程执行：操作系统根据中断类型执行相应的中断服务例程。
（4）中断处理完毕：中断服务例程执行完毕，操作系统恢复原来的程序继续执行。
二、异常机制
异常是计算机程序在执行过程中发生的一些异常情况，例如除零错误、越界访问等。操作系统通过异常机制来处理这些异常情况，并采取相应的措施，以保证系统的稳定性和安全性。
1. 异常分类
异常可以分为故障、陷阱和中断三种类型。
故障是指在程序执行过程中发生的错误，例如除零错误、页错误等。故障可以由硬件或软件引起，当故障发生时，操作系统会采取一系列的错误处理措施，如终止异常程序的执行或者分配新的资源等。
陷阱是一种有意为之的异常情况，可用于实现系统调用和用户程序与操作系统之间的交互。用户程序可以通过陷阱指令触发特定的陷阱异常，操作系统捕获后执行相应的陷阱处理程序。
异常及中断处理讲解
ARM异常中断处理概述
1、 中断的概念
中断是一个过程，是 CPU在执行当前程序的过程中因硬件或软件的原因插入了另一段程序
运行的过程。因硬件原因引起的中断过程的出现是不可预测的， 即随机的，而软中断是事先
安排的。
2、 中断源的概念
我们把可以引起中断的信号源称之为中断源。
3、 中断优先级的概念
ARM处理器中有7种类型的异常，按优先级从高到低的排列如下：复位异常（ Reset）、数据
异常（Data Abort ）、快速中断异常（FIQ）、外部中断异常（IRQ）、预取异常（Prefetch
Abort ）、 软件中断（SWI）和未定义指令异常（Undefined instruction ）
ARM体系异常种类
F面是ARM的7种异常
异常类型 处理器模式' 执行底地址） 执行高地址门
复位异常（Reset）卫 特枫戦 0x00000000 OxFFFFOOOO
未定义指令异常（UM亡fin亡d internet 未定浊令中止模式心 0x00000004 0xFFFF0004
软中断异常（北 特枫戦 0x00000008 OxFFFFOOOS
预取异常(Prefetch Abort) 数据谊可中止模式' OxOOOOOOOC OxFFFFOOOC
数据异常（DataAbort）护 数据访1可中止模式' 0x00000010 OxFFFFOOlO
外部中断谙求（IRQ） 外部中断谙求模式' OxOOOOOOlS OxFFFFOOlS
快速中断请求（FIQ）沪 快速中断请求模式' OxOOOOOOlC OxFFFFOOlC
当异常发生时，处理器会把 PC设置为一个特定的存储器地址。这一地址放在被称为向量表
（vector table ）的特定地址范围内。向量表的入口是一些跳转指令，跳转到专门处理某个异 常或中断的子程序。
当异常产生时，ARM core:
拷贝 CPSR 至U SPSR_vmode>
第六章 OS-II操作系统工作原理
四川师范大学成都学院 课时授课计划（教案）
备课日期： 2011 年 03 月 1 日 第 1
页 第六章 µC/OS-II操作系统工作原理
教学目标
通过本章的学习，要理解嵌入式实时操作系统的基本概念，以及在实际应用中的意义；掌握μC/OS-II操作系统中任务、任务调度、任务通信、内存管理等的基本工作原理和μC/OS-II在不同CPU上的移植；了解μC/OS-II的不足和改进方法。
本章是对嵌入式实时操作系统μC/OS-II的工作原理作简要分析，内容涉及任务的管理和调度、中断和时钟、进程通信、内存分配。
6.1嵌入式操作系统概述
在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。
μC/OS-II是由brosse于1992年编写的一个嵌入式多任务实时操作系统，经过近20年的发展由第一版μC/OS，到第二版μC/OS-II，再到2009年第三版μC/OS-III，并在2000年得到美国联邦航空管理局对用于商用飞机的、符合RTCA DO-178B标准的认证，从而证明μC/OS具有足够的稳定性和安全性。μC/OS是用标准C语言和汇编语言编写的，其中绝大部分代码是用C语言编写，只有少数各具体处理器密切相关的代码是用汇编语言编写，所以用户只需做少量的移植工作就可以将其运行在不同的处理器上面，无论是8位、16位还是32位机。
6.2 μCOS-II工作原理简介
本节以μC/OS-II运行在基于ARM Cortex-M3的LM3S8962单片机平台上，以实例方试分析其工作原理，在分析过程中，对μC/OS-II做了适当的剪裁，保留其核心、精华部分，便于读者理解、掌握。附录A中为整理后的完整代码可在RVMDK中运行，以下所述内容可结合学习。
简述异常与中断处理的一般流程
简述异常与中断处理的一般流程
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1. 异常或中断发生：当异常或中断事件发生时，硬件会自动将相关信息保存到特定的寄存器中，例如程序计数器（PC）、栈指针（SP）等。 2. 硬件处理：硬件会根据异常或中断的类型，采取相应的措施。例如，对于硬件故障，可能会停止处理器的运行；对于外部中断，可能会将控制权转移到中断处理程序。
中断和异常处理读书笔记
中断和异常处理读书笔记
中断（interrupt）通常被定义为一个事件，该事件改变处理器执行的指令顺序。这样的事件与CPU芯片内外部硬件电路产生的电信号相对应。
中断通常分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：
同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。
异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号随机产生的。
在Intel微处理器手册中，把同步和异步中断分别称为异常（exception）和中断（interrupt）。
中断是由间隔定时器和I／O设备产生的，而异常是由程序的错误产生的，或者是由内核必须处理的异常条件产生的。
中断信号的作用：
中断信号提供了一种特殊的方式，使处理器转而去执行正常控制流之外的代码。当一个中断信号达到时，CPU必须停止它当前正在做的事情，并且切换到一个新的活动。为了做到这一点，就要在内核态堆栈保存程序计数器的当前值，并把与中断类型相关的一个地址放进程序计数器。
中断处理与进程切换有一个明显的差异：由中断或异常处理程序所执行的代码不是一个进程，更确切的说，它是一个内核控制路径，代表中断发生时正在运行的进程执行。作为一个内核控制路径，中断处理程序比一个进程要轻，中断的上下文很少，建立蒙昧无知中止中断处理所需要的时间很少。
中断处理是由内核执行的最敏感的任务之一，因为它必须满足以下约束：
当内核正打算去完成一些别的事情时，中断随时会到来。因此，内核的目标就是让中断尽可能快的处理完，尽其所能把更多的处理向后推迟。内核响应中断后需要进行的操作分为两部分：关键而紧急的部分，内核立即执行； 其余推迟的部分，内核随后执行。
因为中断随时会到来，所以内核可能正在处理其中一个中断时，另一个中断又发生了。因此，中断处理程序必须编写成使相应的内核控制路径能以嵌套的方式执行。当最后一个内核控制路径终止时，内核必须能恢复被中断进程的执行，或者，如果中断信号已导致了重新调度，内核能切换到另外的进程。
PLC中断与异常
PLC中断与异常
PLC（可编程逻辑控制器）是自动化控制领域常用的设备，也是工业生产自动化程度不断提高的重要工具之一。PLC的主要作用是对各种输入信号（如开关量、模拟量等）进行采集、处理，再根据设定的各种输出条件（比如控制电机运转、开关灯光等）来控制各种工业设备的运作。然而，即使是最先进的PLC设备也难以完全避免中断和异常，下面我们从PLC中断和异常这两个方面来进行分析。
一、PLC中断
1.什么是PLC中断
PLC中断是指由于外部事件的发生，导致原来正在被执行的程序需要暂时中断执行，去处理其他事件，等处理完这个事件后，再回到原来的执行点继续执行。在传统的计算机中，系统中断通常是由外设驱动产生的，但在PLC中，大多数中断都是由PLC自身的输出信号直接产生的。这些输出信号一般会触发PLC内部的中断处理程序，从而引发PLC中断。
2.PLC中断类型
（1）I/O中断
I/O中断是PLC中最常见的中断类型，它是由PLC的输入/输出模块所控制的。当外部程序的输入信号发生变化时，输入模块会向PLC发送一个中断请求信号，PLC则会在当前的程序执行点上停下来，并跳转到中断服务程序，以完成相关的中断处理操作。
（2）定时器/计数器中断
为保证PLC所执行的程序能够满足实时性要求，很多PLC设备都内置了定时器/计数器。这些定时器/计数器通常会在PLC运行的同时计时/计数，当计时时间达到设定值时，会向PLC发送中断请求信号，引发PLC中断。
（3）总线中断
当PLC通过网络（如CAN总线、以太网等）连接到其他设备上时，发生在其他设备上的事件也可能会导致PLC中断。比如当某个节点失联时，周围节点会发送一个“节点失联”信息帧，PLC就会收到这个信息，判断该事件为中断请求，并按照相应的中断处理程序进行处理。
二、PLC异常
1.什么是PLC异常
在PLC系统中，除了中断外，还存在一些异常。与中断不同的是，异常通常是源于PLC本身的一些内部问题，如错误的PLC程序设计、PLC硬件故障、传感器故障等。PLC异常的形式各不相同，干扰程度也不同。一些简单的异常可以通过自检程序或PLC系统重启来解决，而一些严重的异常情况则需要更加专业的维修人员进行处理。
第5章 中断和异常
第五章 中断和异常
中断控制是计算机发展中一种重要的技术。最初它是为克服对I/O接口控制采用程序查询所带来的处理器低效率而产生的。中断控制的主要优点是只有在I/O需要服务时才能得到处理器的响应，而不需要处理器不断地进行查询。由此，最初的中断全部是对外部设备而言的，即称为外部中断（或硬件中断）。
但随着计算机系统结构的不断改进以及应用技术的日益提高，中断的适用范围也随之扩大，出现了所谓的内部中断（或叫异常），它是为解决机器运行时所出现的某些随机事件及编程方便而出现的。因而形成了一个完整的中断系统。本章主要讨论在80x86保护模式下中断机制在Linux中的实现
5.1中断是什么
大多数读者可能对16位实地址模式下的中断机制有所了解，例如中断向量、外部I/O中断以及异常，这些内容在32位的保护模式下依然有效。两种模式之间最本质的差别就是在保护模式引入了中断描述符表。
5.1.1中断向量
Intel x86系列微机共支持256种向量中断，为使处理器较容易地识别每种中断源，将它们从0到256编号，即赋以一个中断类型码n，Intel把这个8位的无符号整数叫做一个向量，因此，也叫中断向量。所有256种中断可分为两大类：异常和中断。异常又分为故障（Fault）和陷阱(Trap)，它们的共同特点是既不使用中断控制器，又不能被屏蔽（异常其实是CPU发出的中断信号）。中断又分为外部可屏蔽中断（INTR）和外部非屏蔽中断（NMI），所有I/O设备产生的中断请求（IRQ）均引起屏蔽中断，而紧急的事件（如硬件故障）引起的故障产生非屏蔽中断。
非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的，而屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的编程来改变。Linux对256个向量的分配如下：
(1) 从0~31的向量对应于异常和非屏蔽中断。
(2) 从32~47的向量（即由I/O设备引起的中断）分配给屏蔽中断。
(3) 剩余的从48~255的向量用来标识软中断。Linux只用了其中的一个（即128或0x80向量）用来实现系统调用。
单片机的中断与异常处理方法
单片机的中断与异常处理方法
在单片机的工作过程中，中断和异常处理是非常重要的概念和方法。它们能够有效地提高单片机的响应能力和灵活性，使其能够应对各种不同的工作需求和问题。本文将介绍单片机中断的概念、中断的种类以及针对不同中断的处理方法，同时也会探讨单片机异常处理的原理和方法。
一、中断的概念和种类
中断是指在一个程序执行的过程中，由于某种特殊的事件发生，导致程序的正常执行被打断，转而去执行一个与当前任务无关的子程序，完成该事件的相应处理。中断可以分为外部中断和内部中断两种。
1. 外部中断
外部中断是指当单片机外部引脚的电平或信号发生变化时，引发中断事件，使单片机停止当前任务的执行，去处理由该外部事件引发的中断服务程序（ISR）。外部中断常用于与外部设备的交互，如按键输入、传感器检测等。在编程中，我们可以通过设置中断触发条件和编写相应的中断服务程序来实现对外部中断的处理。
2. 内部中断
内部中断是指当单片机内部某个特定的事件发生时，由硬件或软件触发中断请求，并且将控制权交给中断服务程序进行相应的处理。内部中断的发生可以是由于某个特定条件的满足，如定时器溢出中断、串口接收中断等；也可以是由软件的运行结果触发，如除法溢出中断、地址错误中断等。不同的内部中断需要通过编程实现相应的中断服务程序。
二、中断的处理方法
中断处理是指在中断发生时，单片机通过中断向量表找到相应的中断服务程序，并对中断事件进行处理的过程。下面将介绍两种常用的中断处理方法。
1. 优先级中断处理
优先级中断处理是指对多个中断源按照优先级进行划分和处理的方法。在单片机的中断系统中，每个中断源都被赋予了一个优先级，高优先级的中断可以打断当前正在执行的低优先级中断，从而增加了中断的响应速度和灵活性。优先级中断处理需要在编程时设置中断的优先级，并根据不同的中断事件编写相应的中断服务程序。
2. 嵌套中断处理
嵌套中断处理是指当一个中断正在执行的过程中，又发生了另一个中断时，将当前中断挂起，转而处理新发生的中断，并在处理完毕后返回原中断继续执行的方法。这种处理方法可以有效地解决多个中断同时发生的情况，保证系统的稳定性和可靠性。在编程时需要合理设置中断的嵌套关系和相应的中断服务程序。
大工计算机原理-第6章 中断系统
你正在溜号，老师突然提问你，你回答完坐下后，接着溜号。
这就是现实中，中断的实例。
这一章的概念很重要
1、中断：当CPU正常运行时，系统外部、内部或现行程序本身若出现紧急事件，处理器必须立即强行中止现行程序的运行，改变机器的工作状态并启动相应的程序来处理这些事件，然后再恢复原来的程序运行,这一过程称为中断。
2、中断源：能够向CPU发出中断请求的中断来源称为中断源。中断源分为（硬件中断源）和（软件中断源）。
中断源能发出中断请求信号到CPU，所以中断源中一般要求有（中断请求触发器），请求信号有（边沿请求）和（电平请求）两种。
3、中断系统的目的：维持系统正常工作，提高系统效率；实时处理；为故障处理作准备。
4、中断分类：中断分为（外部中断，也叫硬件中断）和（内部中断，也叫软件中断）两大类。其中外部中断分为两类：
⑴ 可屏蔽中断INTR，受标志寄存器中的IF位控制；（高电平触发）
⑵ 不可屏蔽中断NMI，不受标志寄存器中的IF位控制。（上升沿信号触发）
5、中断系统功能
⑴ 中断处理：发现中断请求、响应中断请求、执行中断服务程序、中断返回。
⑵ 中断控制：中断优先权排队、中断嵌套。
某优先权低的中断B正在处理中，允许另一个优先权高于它的中断A中断它(B)。
二、中断处理过程
8086CPU在每条指令的（最后一个时钟周期）检测（中断请求信号输入线INTR）。
我的理解：
检测：程序的执行就是一条条指令的执行，而每条指令执行后会自动检测是否有中断发生。
是否中断处理：如果检测到有中断发生，是否响应它呢？有两个条件：①当前是否开放中断？(也就是IF=1？)②现行指令执行完了吗？如果这两个条件都是成立，则进入中断处理阶段。
中断处理过程（######重要重要重要重要######）：
1.关中断(中断响应信号INTA)
2.保存断点(指令指针IP值和CS值压入堆栈，也就是断点保护)
3.识别中断源（找到相应的中断服务程序的入口地址，就是中断的识别）