本文探讨了操作系统如何通过时钟中断、I/O中断、系统调用和异常处理机制重新获得CPU控制权，以实现进程间的切换，包括时钟中断调度、I/O中断触发的进程唤醒以及系统调用和异常对进程切换的影响。
摘要由CSDN通过智能技术生成
考虑这样一种情况：cpu上运行着一个进程，而这个进程大概率不是操作系统，并且这个进程不进行系统调用，那么他将不会放弃cpu的控制权，那么这个cpu上将永远运行这个进程，而不能运行其它等待中的进程？很显然，操作系统诞生时这个问题已经被解决了，而且必须被解决。
所以本文我们讨论的问题是：操作系统如何重新获得cpu的控制权，以便它可以在进程之间切换？
1.中断
时钟中断（Timer Interrupt）：操作系统通过配置硬件定时器来生成周期性的时钟中断。每当时钟中断发生时，操作系统会暂停当前正在执行的进程，并进行调度，选择下一个要执行的进程。时钟中断允许操作系统周期性地中断当前正在执行的进程，并进行进程调度，选择下一个要执行的进程。通过时钟中断，操作系统可以实现时间分片调度（Time Sharing），即让多个进程轮流使用 CPU 时间，从而确保每个进程都能在一定时间内得到执行。
I/O 中断：当一个 I/O 操作完成时，例如读取文件、接收网络数据等，会引发一个 I/O 中断。操作系统的中断处理程序可以在这时刻决定是否切换进程，例如唤醒等待中的进程来处理已完成的 I/O 操作。
2.系统调用（syscall）
系统调用是指用户态程序调用系统接口，当进程执行系统调用时，操作系统修改当前进程的标志寄存器中的模式位为内核模式，CPU会从用户态切换到内核态，并执行相应的内核代码来完成系统调用所需的操作。
虽然系统调用本身不会直接导致进程切换，但它可以在某些情况下间接触发进程切换。例如，在某些系统调用中，操作系统可能会决定切换进程以响应请求，比如在阻塞 I/O 操作完成之前切换到其他进程。
3.异常
异常包括中断、陷阱和系统调用、故障、终止
异常机制中的陷阱（Trap）与系统调用（syscall）在概念上是不同的，虽然它们都是用户程序与操作系统进行交互的方式。系统调用是用户程序主动请求操作系统提供服务或资源的方式，而陷阱是由程序中的特殊事件或错误条件触发的异常。
陷阱通常是由于程序中的某些特殊指令或条件触发的，例如除零错误、页错误等。当这些特殊事件发生时，CPU会转移到内核态，并执行相应的异常处理程序（例如中断处理程序或异常处理程序），而不是由用户程序主动发起请求。因此，陷阱通常是被动发生的，而不是由用户程序主动触发的。
故障（Fault）：故障是由程序错误或不可恢复的错误条件引起的异常情况，例如页错误、缺页异常等。操作系统可能会将当前执行的进程置于阻塞状态，并选择其他进程执行，以便处理故障情况。
终止（Abort）：终止是由于程序执行出现严重错误或无法处理的异常情况而导致的强制终止。操作系统可能会立即终止当前进程的执行，并释放相关资源，以保护系统的稳定性和安全性。
最后介绍进程切换的步骤：
- 保存当前进程的上下文：
- 操作系统会保存当前正在执行的进程的上下文信息，包括寄存器状态、程序计数器（PC）、栈指针（SP）、进程状态等。这些信息通常保存在进程控制块（PCB）或线程控制块（TCB）中，以便稍后能够恢复到该进程的执行状态。
- 选择下一个要执行的进程：
- 操作系统的调度器会根据预先定义的调度策略选择下一个要执行的进程。这可能涉及到考虑进程的优先级、时间片、进程的状态等因素。
- 恢复下一个进程的上下文：
- 一旦确定了下一个要执行的进程，操作系统会从该进程的进程控制块或线程控制块中获取保存的上下文信息，并将其加载到 CPU 的寄存器中。这包括恢复寄存器状态、程序计数器、栈指针等信息。
- 更新系统状态：
- 操作系统可能需要更新一些系统状态信息，例如调整调度队列、更新进程状态、更新内存映射等。
- 切换到新进程的执行：
- 一旦新进程的上下文被恢复并且系统状态被更新，操作系统会将 CPU 的控制权转移到新进程，并开始执行新进程的代码。
- 执行新进程：
- CPU 开始执行新进程的指令，直到发生进程切换或者进程执行结束。
