十三、异常和中断的基本概念

目录

• 核心思想
• 一、中断
• 二、异常
• 三、中断与异常的相同点
• 四、中断与异常的关键区别
• 五、总结与重要性

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计算机系统中的两个核心概念：异常和中断。

它们都是计算机体系结构中的重要机制，用于处理CPU正常指令流之外的“意外”事件，使得CPU能够高效地响应内部错误和外部请求。两者非常相似，有时会混用，但在严格意义上，它们有明确的区别。

核心思想

CPU通常按顺序一条接一条地执行指令（程序计数器PC顺序递增）。但有时需要打断这个流程，去处理一些更紧急或更重要的事情。处理完后，再回到原来的地方继续执行。为了实现这个功能，就需要中断和异常机制。

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一、中断

中断主要来自CPU外部，与当前执行的指令无关，是异步事件。

1. 定义：

   • 中断是由外部硬件设备（如键盘、鼠标、硬盘、网卡、定时器等）发出的信号，用来通知CPU某个事件已经发生，需要CPU来处理。
   • 因为它是由外部硬件触发的，与CPU正在执行的指令没有直接关系，所以它的发生是异步的（无法预知确切时间）。

2. 目的：

   • 实现CPU与外部设备之间的高效协同（I/O方式之一）。如果没有中断，CPU就需要不断地去查询各个设备的状态（轮询），这会浪费大量计算资源。有了中断，设备准备好后“主动”通知CPU，CPU就可以去处理其他任务，大大提高了效率。

3. 分类：

   • 可屏蔽中断：可以通过在CPU中设置中断屏蔽位来忽略的中断。例如，网卡、声卡产生的中断。当CPU正在处理非常关键、不允许被打断的任务时，就会屏蔽这些中断。
   • 不可屏蔽中断：非常紧急的硬件故障，绝对不能忽略，必须立即处理。例如，电源故障、内存读写错误等。

4. 类比：

   • 你正在看书（CPU执行程序），突然电话铃响了（外部设备发起中断请求）。你会在书上做个记号（保存当前上下文），然后去接电话（执行中断处理程序）。通完电话后，你回来找到记号的地方继续看书（恢复上下文，继续执行）。

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二、异常

异常主要来自CPU内部，由当前正在执行的指令直接导致，是同步事件。

1. 定义：

   • 异常是CPU在执行指令过程中检测到的特殊或错误情况。例如，除以零、访问非法内存地址、执行了一条特权指令等。
   • 因为它是由当前指令的执行直接引发的，所以它的发生是同步的（只要执行这条指令，就一定会发生）。

2. 目的：

   • 处理程序运行时的错误，或为操作系统提供陷入内核的接口。

3. 分类：

   • 故障：通常是可以修复的错误。CPU会转到处理程序，修复后重新执行这条出错的指令。例如缺页异常：程序访问的内存地址不在物理内存中，操作系统会从硬盘加载所需页面，然后重新执行那条指令，这次就能成功了。
   • 陷阱：有意安排的异常，通常用于实现系统调用。程序主动执行一条特殊指令（如int 0x80或syscall）来触发异常，从而进入操作系统内核，请求内核服务。这是用户程序主动向操作系统请求服务的方式。
   • 中止：非常严重的、不可恢复的错误硬件错误。通常无法修复，处理程序只能尽力记录错误信息并终止程序。例如硬件校验错误。

4. 类比：

   • 你正在看书（CPU执行程序），遇到一个不认识的字（执行指令时发生异常，如除零）。你停下来，去查字典（执行异常处理程序）。查完后，你可能回来继续读这个字（故障，重试指令），或者发现是书印错了，只好跳过这一行（中止，终止程序）。

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三、中断与异常的相同点

1. 硬件机制：都是通过硬件来检测和发起的。
2. 处理流程：处理过程类似。
   • 响应：CPU检测到事件。
   • 保护现场：暂停当前程序，将其状态（寄存器、程序计数器等）保存到栈中。
   • 查找处理程序：根据一个预先设定好的表（中断描述符表IDT或异常向量表），通过一个唯一的编号（向量号）找到对应的处理程序地址。
   • 执行处理程序：跳转到该地址执行特定的处理代码（通常是操作系统内核的一部分）。
   • 恢复现场：处理完毕后，恢复之前保存的状态，返回原程序继续执行。

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四、中断与异常的关键区别

特性	中断	异常
来源	外部于CPU（各种硬件设备）	内部于CPU（当前执行的指令）
同步/异步	异步：发生时间不确定，与指令流无关	同步：由特定指令执行导致，必然发生
是否可屏蔽	部分可屏蔽（可屏蔽中断）	不可屏蔽：一旦发生必须处理
主要目的	响应外部事件，实现设备通信	处理错误，实现系统调用

五、总结与重要性

中断和异常机制是现代计算机系统的基石，它们使得：

1. 高效I/O：CPU不用浪费时间去轮询设备，实现了CPU与外部设备的并行工作。
2. 多任务与分时：操作系统依靠时钟中断（一种外部中断）来强制收回CPU使用权，在不同的程序间切换，从而实现“同时”运行多个程序的效果。
3. 系统保护：当用户程序试图执行非法操作（如访问内核内存）时，会触发异常，将控制权交还给操作系统，由操作系统来决定如何处理（通常是终止程序），从而保护了系统的稳定和其他程序的安全。
4. 用户与内核的桥梁：系统调用通过陷阱异常实现，这是用户程序使用操作系统服务的唯一方式。

简单来说，中断让CPU“眼观六路，耳听八方”，能及时响应外部世界；而异常让CPU“三省吾身”，能及时处理内部错误和请求系统服务。 两者完美结合，共同构建了一个稳定、高效、功能强大的计算环境。