跟我一起写操作系统

        中断是计算机体系中一个非常重要的概念，中断的产生是因为中央处理器CPU与外部设备的性能不匹配而采取的一种提高CPU利用率的改善机制。当多个外设同时请求CPU对其进行操作时，CPU如果采用线性任务处理方式时，执行一个任务对外设进行相应操作，其它任务和外设就必须等待，一直到当前正在执行的任务完毕，CPU才能执行下一个任务并进行相应的外设操作。由于CPU的运行速度远远大于其它的外设，所以在这样的线性工作机制下CPU的利用率非常的低。于是，人们就开始为提高CPU的利用率而改进CPU的工作方式。后来便诞生了中断机制。

        中断就是让CPU中断当前的工作，转而去执行另外的任务。当任务完成，或达到某个特殊条件时，CPU再回过头来继续执行原来未完成的工作。比如：我们正在读一本书，这时电话铃声响了，我们要暂时中断读书这个任务，接起电话，等接完电话之后再回到读书这个任务中去。

        异常是当CPU在执行当前任务时，出现了一些非正常的错误，CPU则暂停当前任务，转入错误处理程序，处理完毕后再回到原任务中继续执行。比如：我们正在读一本书，在边读边翻页的过程中，一不小心把一页纸撕坏了，那么只好先中断读书这个任务，用胶水把书页粘好，再回到中断前的位置继续读书。

        举一个计算机执行任务的实际例子：CPU目前正在执行一个需要30s才能完成的处理任务A。另外还有一个需要打印10页纸的打印任务B。每打印一张纸，打印机都需要CPU对其执行一个打印指令，执行这条指令需要10ms的时间，打印机接收了打印指令后可脱离CPU独自进行打印工作，打印一页纸需要2s的时间。也就是说打印10页纸的工作时间为（2+0.01）* 10 = 20.1s。

        如果采用线性工作机制的话，CPU先执行任务A，等A完成之后再执行任务B，总执行时间为30 + 20.1 = 50.1s。执行过程如下：

        可见，CPU在执行任务B时，只执行了“打印指令”，而打印工作是由打印机来完成的。也就是说，在20.1s的时间里，CPU有20s的时间是空闲的，CPU只工作了0.1s。在CPU空闲时完全可以让其去执行其它任务。而在线性任务执行机制下，其它的任务只能等待CPU执行完任务B之后再执行。由此可见在这种任务执行机制下CPU的吞吐率非常的低。

        而如果采用中断机制的话，CPU处理任务A和任务B的过程为：

        由图可知，CPU正在执行任务A时，收到一个打印任务B的中断请求。这时CPU中断任务A，转向任务B。而这个任务B只需要CPU对打印机发送一条打印指令，10ms即可完成，这时CPU再回到任务A继续执行。当打印机打印完第1页纸之后，再对CPU请求中断。CPU收到中断请求之后再次中断任务A，转向任务B，执行10ms的打印指令之后再回到任务A。如此反复执行，直到A和B两个任务全部结束。总用时为30 + 0.01 * 10 = 30.1s。可以看到，引入了中断机制的任务系统大大的提高了CPU的吞吐量，也就提高了CPU的利用率。