中斷原理實驗報告

標(biāo)題：中斷原理實驗報告實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康氖菫榱松钊肜斫庵袛嗟母拍詈驮?，掌握中斷在計算機系統(tǒng)中的作用和處理流程。通過實驗，學(xué)生將能夠識別不同的中斷類型，理解中斷向量表的作用，并能夠編寫程序來處理簡單的中斷事件。實驗環(huán)境實驗在x86架構(gòu)的PC機上進行，使用Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境。實驗工具包括GCC編譯器、QEMU虛擬機（用于模擬中斷處理環(huán)境）以及基本的調(diào)試工具，如GDB。實驗內(nèi)容1.中斷基礎(chǔ)中斷是計算機系統(tǒng)中一種重要的異常處理機制，它允許硬件或軟件在執(zhí)行過程中打斷CPU的正常程序流程，轉(zhuǎn)而處理突發(fā)事件或請求。中斷的類型包括硬件中斷和軟件中斷，其中硬件中斷是由外部事件引起的，如鍵盤中斷、時鐘中斷等；軟件中斷則是由CPU內(nèi)部事件引起的，如除以零、非法指令等。2.中斷向量表中斷向量表是內(nèi)存中的一塊區(qū)域，它存儲了中斷處理程序的入口地址。當(dāng)CPU接收到中斷請求時，它會根據(jù)中斷類型查找中斷向量表，獲取對應(yīng)的中斷處理程序的入口地址，然后跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行處理程序。3.編寫中斷處理程序在實驗中，學(xué)生將編寫一個簡單的中斷處理程序，該程序?qū)㈨憫?yīng)鍵盤中斷，并在控制臺上打印出按鍵信息。這需要學(xué)生理解如何注冊中斷處理程序，以及如何在處理程序中獲取中斷源的信息。4.調(diào)試與測試學(xué)生將使用GDB等調(diào)試工具來測試中斷處理程序的正確性。通過設(shè)置斷點、單步執(zhí)行等方式，確保中斷處理程序能夠正確響應(yīng)鍵盤中斷，并輸出預(yù)期的結(jié)果。實驗結(jié)果與分析通過實驗，學(xué)生將能夠觀察到中斷處理的過程，理解中斷向量表的工作原理，并且能夠編寫和調(diào)試簡單的中斷處理程序。實驗結(jié)果將驗證中斷處理程序是否能夠正確響應(yīng)中斷請求，并輸出預(yù)期結(jié)果。學(xué)生將分析實驗中可能遇到的問題，如中斷處理程序的編寫錯誤、中斷向量表的配置問題等，并提出解決方案。結(jié)論中斷是計算機系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它使得系統(tǒng)能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應(yīng)。通過本實驗，學(xué)生不僅掌握了中斷的基本概念和原理，還具備了編寫和調(diào)試中斷處理程序的能力。這對于進一步學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)和計算機體系結(jié)構(gòu)具有重要意義。參考文獻[1]《計算機組成與設(shè)計》，DavidA.Patterson&JohnL.Hennessy，第四版[2]《深入理解計算機系統(tǒng)》，RandalE.Bryant&DavidO’Hallaron，第三版[3]《Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)》，RobertLove，第二版[4]《x86AssemblyLanguageProgramming》，RandalHyde附錄實驗代碼示例```c#include<stdio.h>#include<stdint.h>#include<stddef.h>#include<string.h>#defineIRQ_KEYBOARD1#defineVECTOR_TABLE_SIZE256voidkeyboard_interrupt_handler(void){uint8_tscancode;uint16_tcharacter;//模擬讀取鍵盤掃描碼

scancode=0x50;

//模擬將掃描碼轉(zhuǎn)換為字符

character=(scancode>>4)|((scancode&0x0F)<<8);

//打印字符

putchar(character);

putchar('\n');}voidinterrupt_handler(intinterrupt_number){switch(interrupt_number){caseIRQ_KEYBOARD:keyboard_interrupt_handler();break;default:printf(“Unhandledinterrupt%d”,interrupt_number);break;}}intmain(){//初始化中斷向量表void(*isr_table[VECTOR_TABLE_SIZE])(void)={0};isr_table[IRQ_KEYBOARD]=interrupt_handler;//注冊中斷處理程序

//此處需要實際的系統(tǒng)調(diào)用或匯編指令來完成注冊

//等待用戶輸入

while(1){實驗?zāi)康谋緦嶒炛荚谕ㄟ^對中斷原理的實驗研究，深入理解中斷的概念、工作原理以及在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過實際操作和觀察，學(xué)生將能夠掌握中斷的觸發(fā)、處理以及中斷響應(yīng)的過程，并能夠分析中斷在提高系統(tǒng)效率和響應(yīng)能力方面的作用。實驗環(huán)境實驗在基于x86架構(gòu)的PC機上進行，使用Linux操作系統(tǒng)作為實驗平臺。實驗將使用匯編語言編寫中斷處理程序，并利用GCC編譯器進行編譯。實驗內(nèi)容1.中斷的概念中斷是指計算機在執(zhí)行當(dāng)前程序的過程中，由于特殊事件的發(fā)生而被打斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，處理完畢后再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。這些特殊事件可以是硬件故障、外部設(shè)備請求、定時器溢出或者其他需要系統(tǒng)注意的事件。2.中斷的分類中斷可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進行分類：硬件中斷和軟件中斷：硬件中斷是由硬件事件（如鍵盤中斷、時鐘中斷等）引起的，而軟件中斷通常是由軟件錯誤或異常情況引起的。同步中斷和異步中斷：同步中斷是可預(yù)測的，通常與時鐘周期或指令執(zhí)行有關(guān)，而異步中斷則是不可預(yù)測的，隨時可能發(fā)生?？善帘沃袛嗪筒豢善帘沃袛啵嚎善帘沃袛嗫梢酝ㄟ^中斷屏蔽位來控制是否響應(yīng)，而不可屏蔽中斷則必須得到及時處理。3.中斷的工作原理中斷的工作原理主要包括以下幾個步驟：中斷源產(chǎn)生中斷請求。處理器檢測到中斷請求，如果當(dāng)前處于可中斷狀態(tài)，則響應(yīng)中斷。處理器保存當(dāng)前狀態(tài)，包括程序計數(shù)器（PC）和通用寄存器等。處理器跳轉(zhuǎn)到中斷向量表，根據(jù)中斷類型號找到對應(yīng)的中斷處理程序入口地址。執(zhí)行中斷處理程序，處理中斷事件。處理完畢后，返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。4.實驗步驟4.1編寫中斷處理程序使用匯編語言編寫一個簡單的中斷處理程序，該程序?qū)㈨憫?yīng)鍵盤中斷，并在控制臺上打印出鍵入的字符。[org0x7c00]

;加載中斷向量表

movax,0x0000

movds,ax

;安裝鍵盤中斷處理程序

movax,0x0003

movds,ax

movbyte[0x00],0x00

movword[0x02],0x0000

movbyte[0x04],0x90

;跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序

jmp0x0000:0x7c00

;鍵盤中斷處理程序

keyboard_handler:

;保存現(xiàn)場

pusha

;獲取鍵值

movah,0x00

int0x16

movbx,ax

;打印鍵值

movah,0x0e

int0x10

;恢復(fù)現(xiàn)場

popa

iret

;結(jié)束標(biāo)記

times510-($-$$)db0

dw0xaa554.2編譯和鏈接中斷處理程序使用GCC編譯器將匯編語言文件編譯成可執(zhí)行文件，并將其鏈接到操作系統(tǒng)的中斷向量表中。gcc-ckeyboard.s

ld-Ttext0x7c00-okeyboard.binkeyboard.o4.3運行實驗將編譯好的keyboard.bin文件復(fù)制到啟動盤或者使用QEMU模擬的虛擬機中，然后啟動系統(tǒng)觀察中斷處理程序的執(zhí)行效果。5.實驗結(jié)果與分析在實驗中，我們觀察到當(dāng)按下鍵盤上的鍵時，控制臺會立即打印出對應(yīng)的字符。這表明中斷處理程序成功地捕獲了鍵盤輸入事件，并進行了相應(yīng)的處理。通過分析中斷處理程序的執(zhí)行流程，我們可以看到中斷機制是如何提高系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)能力的。6.結(jié)論中斷是計算機系統(tǒng)中非常重要的一部分，它使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部事件，提高了系統(tǒng)的靈活性和效率。通過本實驗，我們深入理解了中斷的工作原理，學(xué)習(xí)了如何編寫和安裝中斷處理程序，這對于進一步學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)和計算機體系結(jié)構(gòu)具有重要意義。標(biāo)題：中斷原理實驗報告實驗?zāi)康谋緦嶒炛荚谕ㄟ^實際操作和觀察，深入理解中斷的概念、原理以及在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過搭建中斷實驗環(huán)境，分析中斷響應(yīng)流程，探究中斷處理機制，從而提升對計算機系統(tǒng)底層工作的認識。實驗環(huán)境硬件環(huán)境：使用x86架構(gòu)的PC機，配備至少4GB內(nèi)存，安裝了最新BIOS固件。軟件環(huán)境：運行在64位Windows10操作系統(tǒng)上，使用VisualStudio2019作為開發(fā)環(huán)境，編寫C/C++程序進行中斷處理實驗。實驗步驟初始化設(shè)置：安裝并配置開發(fā)環(huán)境，確保編譯器、調(diào)試器等工具正常工作。編寫中斷處理程序：使用C/C++編寫一個簡單的程序，該程序能夠產(chǎn)生中斷，并設(shè)置中斷處理函數(shù)。編譯與鏈接：編譯源代碼，生成可執(zhí)行文件，并確保中斷處理函數(shù)被正確鏈接。運行與觀察：運行編譯后的程序，觀察程序如何響應(yīng)中斷，并使用調(diào)試器查看中斷發(fā)生時的上下文信息。分析與記錄：分析中斷處理流程，記錄中斷發(fā)生時程序的狀態(tài)變化，以及操作系統(tǒng)如何調(diào)度中斷處理程序。實驗現(xiàn)象在實驗過程中，觀察到程序在執(zhí)行到特定代碼時產(chǎn)生了中斷，隨后操作系統(tǒng)接管了控制權(quán)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。通過調(diào)試器，可以追蹤到中斷發(fā)生時的寄存器狀態(tài)、堆棧信息等，這些都有助于理解中斷的內(nèi)部機制。實驗結(jié)果通過實驗，驗證了中斷處理的基本流程：中斷源產(chǎn)生中斷請求，CPU檢測到中斷請求后，保存當(dāng)前程序的狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序入口，執(zhí)行中斷處理邏輯，最后返回并繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。同時，還觀察到中斷處理程序的執(zhí)行優(yōu)先級高于普通程序，這保證了中斷處理的高效性和及時性。討論與分析中斷是計算機系統(tǒng)中一個非常重要的概念，它使得系統(tǒng)能夠響應(yīng)外部事件或內(nèi)部異常。在實驗中，我們看到了