十四、异常和中断的分类

目录

• 一、中断的分类
  • 1. 可屏蔽中断
  • 2. 不可屏蔽中断
• 二、异常的分类
  • 1. 故障
  • 2. 陷阱
  • 3. 中止
• 总结表格

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异常和中断的分类，这是一个非常核心的计算机体系结构概念，不同的架构（如x86, ARM, MIPS）在细节上略有不同，但核心思想是相通的。

下图从来源和目的的角度，清晰地展示了异常与中断的整体分类框架：

flowchart TD A[CPU外部事件] --> B[<b>中断 Interrupt</b><br>异步] A --> C[<b>异常 Exception</b><br>同步] B --> D[<b>可屏蔽中断</b><br>e.g. 来自网卡、声卡、硬盘等] B --> E[<b>不可屏蔽中断</b><br>e.g. 硬件故障、电源掉电] C --> F[<b>故障 Fault</b><br>可修复，重试指令<br>e.g. 缺页异常] C --> G[<b>陷阱 Trap</b><br>有意为之，继续下条指令<br>e.g. 系统调用、调试断点] C --> H[<b>中止 Abort</b><br>严重错误，终止程序<br>e.g. 硬件错误、非法指令]

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一、中断的分类

中断主要根据其紧急程度和是否可被忽略来分类。

1. 可屏蔽中断

• 特点：CPU可以通过设置程序状态字中的中断屏蔽位来禁止响应这类中断。当屏蔽位被设置时，即使中断发生，CPU也会忽略它。
• 目的：允许操作系统在执行一些关键、不允许被打断的代码段（如内核调度、修改重要数据结构）时，暂时关闭中断。
• 来源：绝大多数由外部设备产生的中断都属于此类。
  • 示例：
    • 硬件定时器中断：用于操作系统实现时间片轮转调度。
    • I/O设备中断：如键盘按键、鼠标移动、网卡收到数据包、硬盘数据读写完成。

2. 不可屏蔽中断

• 特点：无法通过中断屏蔽位来禁止。一旦发生，CPU必须立即处理。它拥有最高的优先级。
• 目的：用于处理非常紧急、关乎系统存亡的硬件故障，必须立即响应。
• 来源：通常是严重的硬件错误。
  • 示例：
    • 内存奇偶校验错误：内存数据在读写过程中发生错误。
    • 总线错误：在数据传输过程中发生严重错误。
    • 电源掉电警告：电源即将耗尽，通知CPU尽快保存关键数据。

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二、异常的分类

异常主要根据其产生原因、处理方式以及返回行为来分类。在x86架构中，异常通常分为以下三类：

1. 故障

• 特点：
  1. 在执行指令的过程中检测到错误。
  2. 异常处理程序会尝试修复这个错误。
  3. 修复成功后，返回并重新执行那条引发异常的指令。
• 类比：你读一句话时发现有个词不认识（故障），去查字典（处理程序），回来后重新读这个词（重试指令）。
• 示例：
  • 缺页异常：这是最经典的故障。当程序访问一个不在物理内存中的虚拟地址时，CPU会触发缺页故障。操作系统的处理程序会从硬盘上加载所需的数据到内存，然后返回并重新执行那条访问内存的指令，这次就能成功执行了。
  • 段错误的一部分情况：例如访问了一个合法但尚未加载的地址。

2. 陷阱

• 特点：
  1. 在执行指令后立即报告异常。
  2. 通常是有意触发的，用于调试或请求系统服务。
  3. 异常处理程序执行完毕后，返回并执行引发陷阱指令的【下一条】指令。
• 类比：你主动设置一个闹钟（陷阱），闹钟响后（触发异常），你去处理一件事（处理程序），处理完后回来继续做下一件事（执行下一条指令）。
• 示例：
  • 系统调用：这是陷阱最重要的应用。用户程序通过执行一条特殊指令（如x86的int 0x80或更现代的syscall/sysenter指令）来主动陷入内核，请求操作系统提供服务（如打开文件、创建进程）。处理完后，返回用户空间继续执行系统调用之后的指令。
  • 调试断点：程序员在代码中设置断点，调试器实际上会将断点处的指令替换为一条陷阱指令（如x86的int 3）。当CPU执行到这里时，触发陷阱，控制权交给调试器。

3. 中止

• 特点：
  1. 无法确定引发异常的指令的精确位置。
  2. 错误非常严重，通常是硬件级别的致命错误。
  3. 异常处理程序无法修复错误，通常只能收集尽可能多的错误信息，然后终止出错的程序甚至整个系统。
• 类比：书中的某一页被撕掉了，而且你不知道具体是哪一行（无法定位），你完全无法继续阅读，只能合上书（终止程序）。
• 示例：
  • 硬件错误：如内存校验错误、处理器温度过高等。
  • 非法指令：CPU遇到了一条它无法识别的指令编码。
  • 严重的系统一致性错误。

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总结表格

类型	特点	返回行为	示例
可屏蔽中断	来自外设，可被CPU屏蔽	返回被中断指令	键盘、鼠标、定时器中断
不可屏蔽中断	来自硬件故障，不可屏蔽	返回被中断指令（如果可能）	内存错误、掉电
故障	指令执行中出错，可修复	返回并重试原指令	缺页异常、段错误（部分）
陷阱	指令执行后主动触发	返回执行下一条指令	系统调用、调试断点
中止	严重硬件错误，不可恢复	无法返回，终止程序/系统	硬件故障、非法指令

理解这些分类有助于深入理解操作系统如何管理硬件、处理错误以及为用户程序提供服务。