3.中斷機構和中斷處理程式
中斷在作業系統中有特殊而重要的地位，沒有它就不可能實現多道程式。
中斷是I/O系統最低的一層，也是裝置管理的基礎。
3.1中斷簡介
3.1.1中斷和陷入
1）中斷：CPU對I/O裝置發來的中斷訊號的一種響應，中斷是由外部裝置引起的，又稱外中斷。
2）陷入：由CPU內部事件所引起的中斷，通常把這類中斷稱為內中斷或陷入（trap）。
3）中斷和陷入的主要區別：是訊號的來源。
3.1.2中斷向量表
 中斷向量表：為每種裝置配以相應的中斷處理程式，並把該程式的入口地址，放在中斷向量表的一個表項中，併為每一個裝置的中斷請求，規定一箇中斷號，它直接對應於中斷向量表的一個表項中。
3.1.3對多中斷源的處理方式
1）遮蔽（禁止）中斷：
 所有中斷都將按順序依次處理。
 當處理機正在處理一箇中斷時，將遮蔽掉所有新到的中斷，讓它們等待，直到處理機已完成本次中斷的處理後，處理機再去檢查並處理。
 優點是簡單，但不能用於對實時性要求較高的中斷請求。
2）巢狀中斷：
 中斷優先順序：系統根據不同中斷訊號源，對服務要求的緊急程度的不同，它們分別規定不同的優先順序。
 當同時有多個不同優先順序的中斷請求時，CPU優先響應最高優先順序的中斷請求；
 高優先順序的中斷請求，可以搶佔正在執行低優先順序中斷的處理機，該方式類似於基於優先順序的搶佔式程序排程。
3.2中斷處理程式
3.2.1主要工作
1）進行程序上下文的切換
2）對處理中斷訊號源進行測試
3）讀取裝置狀態
4）修改程序狀態
3.3.2中斷處理流程
1）測定是否有未響應的中斷訊號
2）保護被中斷程序的CPU環境
3）轉入相應的裝置處理程式
4）中斷處理
5）恢復CPU的現場
4.裝置驅動程式——最瞭解裝置控制器的人
裝置驅動程式是I/O系統的高層與裝置控制器之間的通訊程式，其主要任務：
 接收上層軟體發來的抽象I/O要求，如read、write等命令；
 再把它轉化為具體要求，傳送給裝置控制器，啟動裝置去執行。
 反方向，它也將由裝置控制器發來的訊號，傳送給上層軟體。
4.1驅動程式的功能
1)接收由與裝置無關的軟體發來的命令和引數，並將命令中的抽象要求，轉換為與裝置相關的低層操作序列；
2)檢查使用者I/O請求的合法性，瞭解I/O裝置的工作狀態，傳遞與I/O裝置操作有關的引數，設定裝置的工作方式；
3)發出I/O命令，如果裝置空閒，便立即啟動I/O裝置，完成指定的I/O操作；如果裝置忙碌，則將請求者掛在裝置佇列上等待；
4)及時響應由裝置控制器發來的中斷請求，並根據其中斷型別，呼叫相應的中斷處理程式進行處理。
4.2裝置驅動程式的特點
1)驅動程式是與裝置無關的軟體和裝置控制器之間通訊和轉換的程式。
2)驅動程式，與裝置控制器和I/O裝置的硬體特性，緊密相關。
3)驅動程式與I/O裝置所採用的I/O控制方式緊密相關。
4)由於驅動程式與硬體緊密相關，因而其中的一部分必須用匯編語言編寫。
5)驅動程式應允許可重入，一個正在執行的驅動程式常會在一次呼叫完成前被再次呼叫。
4.3裝置處理方式
4.3.1具體分類
1)為每一類裝置設定一個程序，專門用於執行這類裝置的I/O操作。這種方式比較適合於較大的系統；
2)在整個系統中設定一個I/O程序，專門用於執行系統中所有各類裝置的I/O操作。也可以設定一個輸入程序和一個輸出程序，分別處理系統中的輸入或輸出操作；
3)不設定專門的裝置處理程序，而只為各類裝置設定相應的裝置驅動程式，供使用者或系統程序呼叫。這種方式目前用得較多。
4.4驅動程式處理過程
1）I/O裝置與控制器間的通訊轉換程式
 瞭解抽象命令，瞭解控制器內部的暫存器結構
2）與硬體密切相關，每類裝置配備一種驅動程式
 功能：接受解釋指令（有通道的系統，自動通道程式）、相關判斷、傳送裝置命令、響應中斷
 特點，控制方式不同程式不同，部分固化進硬體，程式碼可重入。
4.5 I/O控制方式
4.5.1程式I/O方式
 cpu對I/O裝置的控制採取程式I/O方式，或稱忙—等待方式
 向控制器傳送一條I/O指令；啟動輸入裝置輸入資料；把狀態暫存器busy=1。
 然後不斷測試標誌。為1：表示輸入機尚未輸完一個字，CPU繼續對該標誌測試；直到為0：資料已輸入控制器資料暫存器中。
 CPU取控制器中的資料送入記憶體單元，完成一個字的I/O 。
高速CPU空閒等待低速I/O裝置，致使CPU極大浪費。
注：也稱作程式查詢方式或輪詢方式。
4.5.2中斷驅動I/O方式
1）步驟：
 CPU向相應的裝置控制器發出一條I/O命令
 然後立即返回繼續執行任務。
 裝置控制器按照命令的要求去控制指定I/O裝置。
 這時CPU與I/O裝置並行操作。
 I/O裝置輸入資料中，無需CPU干預，因而可使CPU與I/O裝置並行工作。從而提高了整個系統的資源利用率及吞吐量。
2）中斷方式比程式I/O方式更有效。
3）但仍以字（節）為單位進行I/O，每當完成一個字（節），控制器便要請求一次中斷。
4）CPU雖然可與I/O並行，但效率不高，存在頻繁的中斷干擾。
5）改進：
 CPU下指令通知控制器完成一塊資料的I/O，控制器完成後才發中斷，而不是每個位元組都要向CPU發中斷；
 多位元組傳輸入記憶體過程不需要CPU搬運，由控制器控制完成（所以稱直接儲存器訪問）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入
4.5.3直接儲存器訪問DMA（位元組—塊）
1）該方式的特點是：
 資料傳輸的基本單位是資料塊；
 所傳送的資料是從裝置直接送入記憶體的，或者直接從記憶體進裝置；不需要CPU操作。
 CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊資料的傳送是在控制器的控制下完成的。
DMA方式成百倍的減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O裝置的並行操作程度。
2）DMA控制器由三部分組成：
 主機與DMA控制器的介面；
 DMA控制器與塊裝置的介面；
 I/O控制邏輯。

3）DMA工作過程
 CPU先向磁碟控制器傳送一條讀命令。
 該命令被送到命令暫存器CR中。
 同時傳送資料讀入到記憶體的起始地址，該地址被送入MAR中；
 要讀資料的字數則送入資料計數器DC中；
 將磁碟中的資料原地址直接送入DMA控制器的I/O控制邏輯上，按裝置狀態啟動磁頭到相應位置。
 啟動DMA控制器控制邏輯開始進行資料傳送
DMA控制器讀入一個數據到資料暫存器DR中，然後傳到記憶體MAR地址中；接著MAR+1,DC-1，判斷DC是否為0,如否，繼續，反之控制器發中斷請求，傳送完畢。
4.5.4 I/O通道控制方式（組織傳送的獨立）
1）DMA適用於讀一個連續的資料塊；
 如一次讀多個數據塊到記憶體不同區域，須由CPU分別傳送多條I/O指令、進行多次DMA中斷處理。
2）再進一步減少CPU的干預（減少中斷）， 引入通道。
 實現對一組資料塊的讀（寫）及有關的控制和管理為單位的干預。
3）此時，CPU只需發一條I/O指令，給出通道程式的首地址及要訪問裝置即可。

• CPU、通道和I/O裝置三者的並行操作，提高整系統資源利用率。
  4）通道是一種通過執行通道程式管理I/O操作的控制器，它使主機（CPU和記憶體）與I/O操作之間達到更高的並行程度。由於它的任務是管理實現輸入/輸出操作，提供一種傳送通道，所以將這種部件稱作“通道”。
  5）通道程式：
   通道 通過執行通道程式，與裝置控制器共同實現對I/O裝置的控制。
   通道程式由一系列通道指令構成。
  CPU指令àà裝置驅動程式解讀à通道程式àà通道
   通道指令一般包含下列資訊：
  a）操作碼。規定指令所執行的操作。
  b）記憶體地址。
  c）計數。表示本指令所要操作的位元組數。
  d）通道程式結束位。用以表示程式是否結束。
  e）記錄結束標誌。表示該指令是否與下條指令有關。
  4.5.5 宗旨：減少主機對I/O控制的干預，將CPU從繁雜的I/O控制事物中解脫出來。
  4.5.6 注意資料走向：裝置（磁碟）–控制器緩衝—程序的記憶體