什么是計算機終端？計算機終端有哪些分類（談內部中斷外部中斷軟件中斷）
時間：2023-09-11 來源：華清遠見
什么是計算機終端？
計算機終端是指連接到計算機系統并扮演輸入和輸出設備角色的各種設備。它可以用來接受用戶輸入、執行程序、處理數據以及向用戶輸出信息等。在計算機系統中，終端通常被稱為輸入/輸出（I/O）設備，因為它們通過與計算機之間的數據交換實現輸入和輸出操作。
計算機終端的種類繁多，不同的終端適用于不同的應用場景。例如，PC端上常見的終端包括鍵鼠、顯示器、打印機等；嵌入式系統中常見的終端則包括傳感器、執行器、觸摸屏等。
對于嵌入式系統而言，計算機終端可擴展性非常重要。在大多數情況下，這些設備需要特定的固件和硬件支持，以便與主系統接口兼容。這就意味著，嵌入式計算機終端不能僅僅是簡單地將普通I / O設備接入計算機系統，而需要根據具體需求進行優化。
總之，計算機終端是將計算機系統和人員、設備連接在一起的一種關鍵組成部分。在未來的數字化世界中，計算機終端將扮演更加重要和廣泛的角色。
計算機終端的分類
嵌入式計算機系統中，常常需要處理各種各樣的事件，在硬件方面，這些事件可以看作是一個個電信號，通過各種外設與CPU進行交互。為了及時響應這些事件，提高系統反應速度，中斷技術是不可或缺的一部分，因此合理的中斷分類對于設計嵌入式系統具有重要意義。在這篇文章中，我們將會探討三種常見的中斷分類：內部中斷、外部中斷和軟件中斷。
內部中斷
內部中斷，即異常中斷， 在嵌入式系統的開發和運行中，異常中斷（Exception Interrupt）是經常出現的一種情況。CPU在運行各種指令碼時，常常會檢查與操作相關的標志位寄存器或狀態寄存器，例如分界符（Segment Fault）、浮點數溢出、除零錯誤等等。當某個寄存器狀態發生改變，無法被CPU處理時，觸發異常信號，導致CPU停止當前正在執行的程序，并調用相應的異常處理程序進行處理。
異常中斷的場景如：內存錯誤
內存錯誤包括寫保護、非法地址訪問、地址越界等。這些錯誤都可能導致CPU無法處理當前指令，而導致異常中斷的產生。為了避免內存錯誤，開發人員需要在程序設計和調試階段嚴格按照規范進行內存空間分配，并對各種數據輸入進行合理的判斷。
外部中斷
在嵌入式系統中，當一個輸入事件發生時（比如按下按鍵或收到一個傳感器的數據），處理單元（CPU）需要立即響應并進行相應的操作。此時，可以通過“外部中斷”來實現。
外部中斷，簡單來說，就是CPU通過在不同的電路引腳上檢測電平變化來檢測和響應外部事件。當檢測到一個電平信號發生變化時，會觸發一個中斷請求， CPU暫停當前正在執行的指令，并跳轉到預定義的外部中斷服務程序中，以響應這一事件。
外部中斷的場景：
外部中斷廣泛應用于許多嵌入式系統，尤其是需要高效處理各種輸入事件的場景。以下是一些使用外部中斷的典型應用場景：
1. 按鍵檢測
對于經典的按鍵輸入，“輪詢”已經不能滿足需求。因為當 CPU 輪詢按鍵狀態時，它必須等待很長時間，而按鍵通常還需要一段時間才能返回到正常狀態。這導致了很慢的響應速度，且對處理器負載會過重。采用外部中斷則可以解決這個問題，在CPU響應中斷的時候，立即執行按鍵檢測。
2. 定時器
定時器也是使用外部中斷的常見場景。通過在計數器遞增到一定閾值時觸發中斷請求，實現定時到達后響應中斷。通常用于需要精準時間控制的場合，如PWM調節、紅外識別等。
定時器中斷：定時器中斷是指由嵌入式系統硬件上的計數器周期性地產生的中斷。這種中斷不需要外部觸發，而且定時器中斷的時間間隔可以通過設置計數器的初始計數值和每次中斷后重新加載的計數值來控制。通常情況下，定時器中斷用于周期性地執行某些任務或輪詢某些狀態。定時器中斷的使用場景非常廣泛。以下列出了一些常見的場景：
實時操作系統：
實時操作系統（RTOS）是專門為嵌入式系統設計的操作系統，能夠管理嵌入式系統上多個任務的執行。在RTOS中，使用定時器中斷來進行任務調度。每當定時器中斷被觸發時，RTOS會檢查當前是否有更高優先級的任務就緒并立即進行上下文切換。
時序控制：
在一些需要時序控制的應用中，定時器中斷經常被用來產生精確的間隔時間。這種應用可以通過將定時器中斷與外部事件的觸發信號捆綁在一起實現更為精確的時間控制。
軟件中斷
隨著嵌入式系統的快速發展，軟件中斷已成為嵌入式領域的一個非常重要的概念。軟件中斷是指由軟件生成的一種事件，可以用來通知CPU執行一段代碼（即中斷程序）。當軟件中斷發生時，CPU會立即暫停正在執行的任務，轉而執行中斷程序，并在完成中斷處理后恢復到之前的任務狀態。
是否需要開啟一個特定的軟件中斷取決于應用程序需要做什么，例如讀取外部傳感器、發送數據等。通過使用軟件中斷，應用程序可以允許多個任務同時運行，從而實現更高效的嵌入式設計。
軟件中斷的分類，軟件中斷通常分為兩類：周期性和非周期性。
1、周期性
周期性中斷是指計算機系統中定期產生的中斷信號，它通常是由硬件時鐘設備觸發。操作系統可以利用這個中斷信號來處理一些定期或周期性的任務，例如更新系統時間、執行延遲的任務或者進行系統性能數據的采集等。
在一個基于時鐘周期的操作系統中，周期性中斷是非常重要的機制。通過周期性中斷，CPU可以周期性地檢查某些需要處理的事項，例如是否有新的I/O請求、用戶進程是否需要被調度執行等。另外，為了避免讓中斷請求過于頻繁，周期性中斷還會設置一個定時器來控制中斷的周期。
舉例來說，在Windows操作系統中，周期性中斷被稱為“定時器中斷”，在Linux操作系統中，它是由內核中的"tick"機制實現的，而在實時操作系統中，由于精度的要求更高，周期性中斷的處理也有不同的機制。
總之，周期性中斷對于操作系統來說是必不可少的機制，它能夠幫助操作系統在后臺高效地完成一些定期的任務，從而保證了系統的正常運行。
2、非周期性
非周期性中斷是指，發生在處理器執行期間的、不同于周期性時鐘驅動的、無法預測和計劃的事件。這些事件會引起系統對正在執行的任務進行中斷，并暫停它們的執行，以便處理特殊情況。非周期性中斷通常由硬件設備或軟件觸發，包括輸入/輸出請求、內存錯誤、系統調用等。
非周期性中斷對于操作系統的實現至關重要，因為它們允許系統在必要時響應外部事件和其他異常情況。操作系統必須能夠及時識別和響應這些中斷，并執行必要的處理程序以避免嚴重的故障。
在其本質上，非周期性中斷是操作系統中的一種異步事件處理機制，因為這些事件的發生時間和數量是不確定的，操作系統必須隨時準備好處理它們。過多的非周期性中斷會影響整個系統的性能和可靠性，因此操作系統設計者必須努力最小化中斷量并優化中斷處理程序。
