中断和异常

本质

发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（如进程切换，分配I/O设备等）需要使用特权指令，所以需要CPU由用户态切换到核心态。中断可以使CPU从用户态切换到核心态，是操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行

概念

  • 中断发生时，CPU立即进入核心态
  • 中断发生后，当前进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
  • 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

用户态切换到核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一的实现方式

核心态到用户态的切换只需要执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”即可

中断的分类

内中断

也称为异常，例外，陷入

信号来源：CPU内部，与当前执行的指令有关

内中断还细分为

  • 自愿中断：指令中断，如系统调用时的访管指令（陷入指令，trap指令）
  • 强迫中断：硬件故障（如缺页中断），软件中断（如除0）

内中断另一种分类方式：

  • 陷阱，陷入（trap）：有意而为之的异常，如系统调用
  • 故障（fault）：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
  • 终止（abort）：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0操作

外中断

也称为中断（狭义上的中断）

信号来源：CPU内部，与当前执行的指令无关

外中断还可以分为

  • 外设请求：如I/O操作完成发出的中断信号
  • 人工干预：如用户强行停止一个进程

外中断处理过程

  1. CPU在用户态下逐条执行指令，在每条指令执行结束后进行检查，检查当前是否有外部中断信号
  2. 如果检测到外部中断信号在，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW，程序计数器PC，各种通用寄存器）
  3. 根据中断信号类型转入响应的中断处理程序（在核心态下）
  4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续向下执行指令

总结