操作系统的心脏节拍：CPU中断如何驱动内核运转？

一、硬件中断

为引出今天的话题，我们来思考这样一个问题：

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
int main()
{
    int a;
    scanf("%d",&a);
    return 0;
}

当以上程序执行到scanf时，如果我们不输入信息，程序会一直阻塞在这里。那程序如何知道我们已经完成输入了呢？而且我们输入的信息在外设上，程序又是如何知道何时将其载入内存的呢？

**这其实是由外设就绪后通知给CPU，再由CPU通知给操作系统，然后由操作系统调用最后通知给前台程序。**具体细节如下：

每个中断都有自己的编号，即中断号 ，在中断控制器中会有寄存器来记录已就绪的中断号。一旦有外设就绪，它的中断号将被存入寄存器，然后由中断控制器通知CPU。CPU得到信息后会从中断控制器的寄存器中获取中断号，并停止当前工作，保持好当前数据（保存上下文 ），然后通知操作系统执行对应的中断方法。处理完后，CPU恢复现场，继续之前的工作。

如上图所标记的执行顺序：1,2,3,4,5,6,7。

我们都知道CPU运行速度非常快，外设的数据不能直接与CPU打交道，而是要通过存储器作为桥梁。注意这只是说外设的数据不与CPU打交道，不代表外设就不与CPU打交道，如下冯·诺伊曼体系结构：

OS（操作系统）中储存了各种处理中断的不同方法，通过上面的执行逻辑我们可以知道，OS并不需要关心外设是否就绪，只需要等待CPU通知即可。

像这样由硬件产生的中断叫硬件中断，同理就有软件中断。下文会细讲。

二、时钟中断

我们回顾一下，操作系统是一个对软硬件进行管理的软件，它的工作通常包括：进程调度，为程序提供系统调用。

其实操作系统做的所有工作都是一种中断处理。

那么当没有中断需要处理时，操作系统在做什么？

这个时候操作系统什么也不干，就暂停在那里。对，你没听错，操作系统也是牛马啊！CPU没给它派发中断任务，它就只管闲着就好。
OS做的任何工作都是对中断的处理，那么OS进行进程调度也是收到中断信号吗？

是的！除了以上讲的外设会生成中断信号以外，还有一个特殊的设备："时钟源"，它被集成在CPU内部，会以特定的频率向CPU发送中断，这也就是时钟中断。

OS在接收到时钟中断信号后，更新当前进程的时间片，并检查时间片是否耗尽（即计数器是否为0）。如果已经耗尽，则进行进程调度，如果没有，则无需任何操作。

注意：时钟中断的频率是固定的，而进程的时间片是根据具体情况动态调整的。

总结：操作系统是基于中断机制进行工作的软件。

三、软中断

除了硬件产生中断以外，在程序中写的系统调用也会产生中断，我们把这种由软件触发的中断叫作软中断。

也就是说CPU也可以主动的触发中断，并不一定是由硬件触发。

缺⻚中断？内存碎⽚处理？除零野指针错误？这些问题，全部都会被转换成为CPU内部的软中断，然后执行中断处理例程，完成所有处理。有的是进⾏申请内存，填充⻚表，进⾏映射的。有的是⽤来处理内存碎⽚的，有的是⽤来给⽬标进程发送信号，杀掉进程等等。

又比如在处理系统调用产生的中断方法中，有着这样一张表：

它实际上是一个函数指针数组，储存了各种系统调用方法。所以每一个系统调用都有唯一的下标，这个下标也叫作系统调用号。

但我们会发现这些函数好像都没用过，然而名字却有些熟悉。确实，我们并不会直接调用这里的函数，而是使用fork，read，write，open等。也就是说我们平常所用的这些函数并非真正意义上的系统调用，而是在系统调用的基础上进行封装的。OS把它做得这么复杂也是为了自我保护。

比如我们用的read函数里面封装了这样的汇编代码：
cpp 复制代码
int 0x80 
move eax 5
int 0x80：让CPU产生软中断，也可以通过syscall触发

move eax 5：把read的系统调用号5存入寄存器。

通过int 0x80找到这样的中断方法：

cpp 复制代码

void CallSystem()
{
    //获取系统调用号
    int n = 0;
    move n eax
    //... ...
    //系统调用方法
    sys_call_table[n]();

}

四、用户态与内核态

虚拟地址空间分为两大部分，其中1GB是内核区，3GB是用户区。不同的PCB虚拟地址空间的用户页表是不同的，但是它们的内核页表是相同的。如下：

这也说明，无论操作系统怎么切换进程，都能通过内核区找到同一个操作系统。即操作系统调用方法的执行是在进程的地址空间中进行的。

而进程执行的本质也是在地址空间上跳转，那么用户在写程序时不就可以直接去内核地址空间访问内核了吗。

这样的情况确实可以实现，因此为保护操作系统内核安全，就引入了一系列的权限机制。

比如用户态和内核态就是一种权限，在CPU中存在一个寄存器CPL标记当前所处的权限，0表示内核态，3表示用户态。

在进行系统调用时就需要进行权限的更改，比如int 80或syscall在触发中断时也进行权限的更改，使其陷入内核。

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