中断和异常

概述

中断会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回CPU使用权（操作系统重新夺回CPU使用权的唯一途径）。

中断分类

内外中断

  • 内中断：与当前执行的指令无关，中断信号来自于CPU内部。
    • 陷阱、陷入(Trap)：由陷入指令引发，是程序故意引发的。
    • 故障(fault)：由错误条件引起的，可能被内核操程序修复。修复后会将CPU使用权会给应用程序，让其继续执行下去（缺页中断）
    • 终止(abort)：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止应用程序。（整数除0，非法使用特权指令）
  • 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。
    • 时钟中断
    • I/O中断

硬件中断和软件中断

  • 硬件中断：由CPU外部的硬件，引入的中断，是随机的
  • 软件中断：软件中断其实并不是真正的中断，它们只是可被调用执行的一般程序，是预先设计的。

可屏蔽中断和非屏蔽中断

  • 可屏蔽中断：通过INTR(Interrupt Require)线向CPU请求的中断，此类中断并不会影响系统运行，可随时处理，或不处理。此外，除受本身的屏蔽位控制外，还受一个总的中断允许标志位IF(Interrupt Flag)的控制

  • 非屏蔽中断（不可屏蔽中断）：非屏蔽中断是出现在NMI(Non Maskable Interrupt)线上的请求 ，不受中断标志位IF的影响，内部中断是不可屏蔽的中断

内中断

例子：比如CPU在用户态执行指令时发现某一指令为特权指令。
例子：比如在CPU执行除法指令的时候发现除数为0。

此时CPU会拒绝执行该指令，并产生内中断，由用户态变为内核态，转而执行中断服务程序。中断服务程序执行完毕再转为用户态，继续执行指令。

外中断

在每个指令周期结束（每一个指令执行结束后），CPU都会例行检查是否有外部中断信号。

例子：时钟中断——由时钟部件发出来的中断信号。时钟部件会每隔一段时间向CPU发送一个时钟中断信号。

CPU收到信号后，并产生外中断，由用户态变为内核态，转而执行中断服务程序。中断服务程序决定由哪一个进程运行在下一个时间片。（时间片进程调度算法）

例子：I/O中断——由输入输出设备发出来的中断信号。

CPU收到信号后，并产生外中断，由用户态变为内核态，转而执行中断服务程序。中断服务程序将设备（网卡，键盘，麦克风）的数据采集上来。

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要不同的中断处理程序进行处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询中断向量表，找到对应的中断处理程序在内存中的存放位置。

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中断向量表本质就是一个函数指针数组，CPU根据中断号，在数组中找到对应回调函数。

中断工作过程

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