讀書筆記 計算機系統--系統架構與操做系統的高度集成 第四章中斷、陷入及異常

本章討論處理器如何處理執行中的不連續性

　　　　程序執行的不連續性---------------------------一

　　　　體系結構的改進---------------------------------二

　　　　硬件的細節---------------------------------------三

 

一 ：程序執行的不連續性

引入同步和異步：

　　　　同步，在規定好的時間內發生的事件，如第三章的各個微狀態之間的轉移。

　　　　異步，系統正在進行的，其餘活動相關的，不可預料的時間發生的事情，如中斷。

程序執行的不連續性：

　　　　中斷，設備引發處理器注意的機制，通常指外部設備引發的不連續性。

　　　　異常，內部產生的問題，執行非法指令，要打斷原有指令序列的執行而後去處理。

　　　　陷入，當前運行的程序沒法處理的一種內部狀況，只能調用操做系統來處理。

　　　

　　　　不連續性是一種工具：

　　　　　　　　他容許計算機系統提供輸入/輸出

　　　　　　　　他容許計算機系統爲相互競爭的活動管理資源。

　　　　　　　　他容許計算機系統幫助程序員開發正確的程序。

　　　　檢測不連續性是處理器的責任，引導處理器處理不連續性代碼是操做系統的責任。

處理不連續性要作的事：

　　　　硬件隱式完成的活動

　　　　操做系統顯式完成的活動。

引入處理過程，處理器處理不連續時執行的過程。

處理器在處理不連續性上，與第二章的調用過程基本同樣，可是有四個要注意：

　　　　一、不連續性能夠在指令執行的任意位置發生。

　　　　二、不連續性是計劃外的，硬件控制權給處理過程，要保存PC的值。

　　　　三、在檢測到不連續性時，硬件須要肯定處理過程的地址，以便轉交控制權。

　　　　四、硬件隱式保存PC值，須要知道如何如恢復。

引入異常/陷入寄存器ETR，用來保存不連續性的編號。

操做系統和處理器體系結構合做解決：

　　　　一、體系結構定義一系列異常和他們對應的編號

　　　　二、操做體統定義一系列異常（中斷，陷入）以及他們對應的編號。

　　　　三、在啓動操做系統，創建中斷向量表IVT，給出處理異常中斷陷入的處理過程地址。

　　　　四、在普通程序執行時，硬件檢測異常和陷入，將矢量表填入ETR

　　　　五、在普通程序執行時，硬件檢測外部中斷以及對應編號。

　　　　六、硬件使用矢量值索引IVT，找處處理過程，將控制權交給處理過程。

二：體系結構的改進

修改FSM：

　　　　在原來FSM基礎上多一個宏狀態

　　　　

 

　　　　FSM在指令結束時檢查，有中斷則到INT宏狀態，沒有就返回Fetch。

　　　　把當前PC保存在某個寄存器$k0，接受處理過程的地址，裝入PC。

　　　　之因此在最後一個檢查，由於處理器的寄存器處於乾淨的狀態。

處理級聯中斷：

　　　　中斷中又中斷回事去原始程序的PC值。

　　　　爲處理級聯中斷引入：

　　　　　　　　禁止中斷指令

　　　　　　　　容許中斷指令

　　　　處理方法：

　　　　　　　　

　　　　　　　　關閉中斷，原始程序的返回地址保存到$k0，

　　　　　　　　打開中斷，保存寄存器堆，而後執行指令，

　　　　　　　　執行處理過程，

　　　　　　　　關閉中斷，恢復寄存器$k0，返回原程序。

　　　　設備會有不一樣的優先級，如硬盤〉鍵盤，若是硬盤中斷則忽視鍵盤。

從處理過程當中返回：

　　　　_{引入新指令：Return from interrupt （RETI）}

　　　　　　　　語義：Load PC from $k0;

　　　　　　　　　　    Enable interrupts;

　　　　　　　　這是一條原子指令，執行完以前不會有新的中斷。

三：硬件的細節　　

中斷數據通路的細節

　　　　引入：

　　　　　　　　INT線，全部但願中斷CPU的設備都斷言該線。

　　　　　　　　INTA線，CPU斷言該線，讓一個設備獲得確認。

　　　　

　　　　　　　　全部設備經過「線或」（超出本書範圍）先到INT線上

　　　　　　　　處理器發出的INTA線一次穿過全部設備（菊鏈），最接近處理器的優先處理。

　　　　推廣：

　　　　　　　　多條INT和INTA線，每一對對應一個優先級

　　　　　　

　　　　　　　　設備速度越快，丟失數據可能性越高，因此須要快速處理。

得到過程地址的細節：　　　

　　　　

　　　　在收處處理器發送的INTA信號時，將它的向量放到數據總線上，

　　　　與以前操做系統開機放在內存中的IVT對應。

總結：

　　　　一、不管什麼時候，設備中斷處理器都斷言INT。

　　　　二、處理器完成EXCUTE宏後檢查INT宏狀態。

　　　　三、若是有中斷請求，處理器進入INT宏狀態並將INTA線斷言。

　　　　四、設備收到INTA信號後，將本身的向量放到數據總線上。

　　　　五、處理器收到向量並在IVT中查找對應表項，記錄處理過程的PC值。

　　　　六、處理器將PC保存在$k0中並將IVT中取出的值填入PC。

保存/恢復棧:

　　　　中斷與當前運行的程序沒有關係，取內存哪裏爲棧。

　　　　體系結構有棧指針寄存器來保存兩個棧：

　　　　　　　　用戶棧

　　　　　　　　系統棧

　　　　進入INT宏狀態，FSM執行棧切換。

　　　　硬件改進：

　　　　　　　　一、複製棧指針，指派$sp爲棧指針，複製一個給用戶一個給系使用，

　　　　　　　　中斷處理過程保存狀態用系統$sp，不會弄亂用戶棧。

　　　　　　　　二、特權模式，處理器引入一個模式位來判斷時用戶模式仍是內核模式（FSM在INT宏狀態中爲「內核」），

　　　　　　　　以前容許中斷的指令只能夠由操做系統使用，也叫特權指令。

 

體系結構和硬件改進總結：

　　　　一箇中斷向量表IVT，由操做系統初始化爲各處理過程的地址。

　　　　一個異常/陷入寄存器ETR，含有內部產生的異常和陷入的向量。

　　　　接受外部中斷的向量的硬件機制。

　　　　用戶/內核模式和與之相關的處理器模式位。

　　　　與模式位有關的用戶/內核棧。

　　　　一個硬件機制，中斷時隱式將當前PC保存到特殊寄存器$k0中。

　　　　加入只能由操做系統使用的特權指令用來打斷。