操作系统：中断

控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作，通常由操作系统代码使用，在某种特权级别下可以访问、修改

常见的控制和状态寄存器：程序计数器（program counter），记录将要取出的指令的地址；指令寄存器（Instruction Register)，记录最近取出的指令；程序状态字（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。

操作系统的需求——保护：实现保护与控制；需要硬件提供基本运行机制：处理器具有特权级别，能在不同的特权级运行的不同指令集合；硬件机制可将OS与用户程序隔离。

特权指令和非特权指令：

操作系统需要两种CPU状态：1.内核态：运行操作系统程序；2.用户态：运行用户程序；

特权指令：只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令。

非特权指令：用户程序可以使用的指令。

操作系统可以执行特权指令和非特权指令

特权指令：启动I/O 内存清零 修改程序状态字 设置时钟 允许/禁止中断 停机

非特权指令：控制转移 算数运算 防管指令 取数指令

X86处理器支持4个处理器特权级别

特权环：R0,R1,R2,R3

从R0到R3，特权能力由高到低，R0相当于内核态；R3相当于用户态；R1和R2则介于两者之间

CPU状态之间的转换：

用户态->内核态 唯一途径是中断/异常/陷入机制

内核态->用户态 设置程序状态字PSW

中断/异常的概念：

CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应

CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转区执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序。

事件的发生改变了处理器的控制流，特点是随即发生的，自动处理的，可恢复的

为什么引入中断与异常？

中断的引入：为了支持CPU和设备之间的并行操作，当CPU启动设备进行输入/输出后，设备便可独立工作，CPU转去处理与此次输入/输出不相关的事情；当设备完成输入/输出后，通过向CPU发中断报告此次输入/输出的结果，让CPU决定如何处理以后的事情。

异常的引入：表示CPU执行指令时本身出现的问题。如算数溢出、除零、取数时的奇偶错，访内存地址时越界或执行了陷入指令等，这时硬件改变了CPU当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或执行系统调用。

事件包括中断（外中断）和异常（内中断）

中断：外部事件，正在运行的程序所不期望的。I/O中断(键盘上按Ctrl+C，网卡接收数据包，打印机结束，读盘结束），时钟中断（设定定时器到点，CPU运行时间片到了），硬件故障（笔记本电池低电量，内存奇偶校验错）

异常：由正在执行指令引发。系统调用，页故障/页错误，保护性异常（只读内容写操作，地址访问越界），断点指令（单步调试），其他程序性异常（算数溢出）

中断/异常机制工作原理：

中断/异常机制是现代计算机系统的核心机制之一，硬件和软件相互配合而使计算机系统得以充分发挥能力

硬件该做：捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定方式相应，将处理器控制权交给特定的处理程序（中断/异常的相应）

软件要做：识别中断/异常类型并完成相应的处理（中断/异常处理程序）

中断响应过程：在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，查看是否有中断信号。若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入PSW的相应位，称为中断码，通过查中断向量表引出中断处理程序。

中断向量表由中断向量构成。

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时所需的处理机状态字。

执行流程按中断号/异常类型的不同，通过中断向量表转移控制权给中高端处理程序。

中断响应示意图：1.设备发中断信号 2.硬件保存现场 3.根据中断码查表 4.把中断处理程序入口地址等推送到相应寄存器 5.执行中断处理程序

中断处理程序

设计操作系统时，为每一类中断/异常事件编好相应的处理程序，并设置好中断向量表。

系统运行时若响应中断，中断硬件部件将CPU控制权转给中断处理程序：保存相关寄存器信息；分析中断/异常的具体原因；执行对应的处理功能；恢复现场，返回被事件打断的程序；