5.3 异常和中断机制

异常与中断的基本概念与区别；故障、自陷、终止三类异常和可屏蔽、不可屏蔽两类中断；异常和中断的检测时机与响应过程（关中断、保存断点、识别并转入处理程序）。

考查要求 ★★★ 重点掌握异常（内中断）与中断（外中断）故障/自陷/终止断点：原指令还是下一条检测时机响应过程：关中断、保存断点、识别中断源

基本概念

程序执行过程中，CPU 有时会遇到一些特殊情况，使正在执行的程序被”中断”：CPU 中止当前程序的执行，转去执行相应的处理程序；处理完后，一般再返回断点继续执行原来的程序。

异常（exception，也称内中断）：由 CPU 内部产生的意外事件，与当前执行的指令有关，如整数除以 0、缺页、非法操作码、系统调用。
中断（interrupt，也称外中断）：来自 CPU 外部、与 CPU 执行的指令无关的事件，如 I/O 设备完成输入/输出、定时器到时、网络数据到达。

异常和中断的处理都需要操作系统的支持：发生异常或中断时，CPU 从用户态切换到内核态，执行操作系统内核中的处理程序。

异常和中断的分类

类型	含义	例子	处理后返回到
故障（fault）	在引起故障的指令启动后、执行结束前检测到的异常事件	缺页、缺段；非法操作码；整数除以 0；存储保护错	可恢复的（如缺页）：发生故障的那条指令，重新执行；不可恢复的（如除 0）：终止进程
自陷（trap，陷阱）	预先安排的一种”异常”事件：在程序中用陷阱指令主动引发	系统调用（`int 0x80`、`syscall`）；断点设置（`int 3`）；单步跟踪（TF = 1）	陷阱指令的下一条指令
终止（abort）	执行指令过程中出现了使计算机无法继续执行的硬件故障	控制器出错、存储器校验错、总线错误	不返回，通常要重启系统

故障和自陷属于程序性异常（软件中断），终止是硬件故障引起的异常。

可屏蔽中断：通过可屏蔽中断请求线 INTR 向 CPU 发出的中断请求。CPU 可以通过设置中断屏蔽字（或关中断）来屏蔽它们，被屏蔽的中断请求暂不被送到 CPU。
不可屏蔽中断：通过专门的不可屏蔽中断请求线 NMI 发出，通常是非常紧急的硬件故障，如电源掉电。这类中断请求不受中断允许触发器和屏蔽字的控制。

异常与中断的区别

交互练习给事件分类：异常还是中断？

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执行 load 指令时访问的页面不在主存中（缺页）

异常（内中断）

中断（外中断）

故障返回原指令重新执行，自陷返回下一条指令，终止不再返回；中断在当前指令执行完后才响应，返回下一条指令。

异常由 CPU 在执行指令的过程中检测：例如取指令时检测到页面不在主存（缺页）、译码时检测到非法操作码、执行除法时检测到除数为 0。一旦检测到就立即响应，不必等到指令执行结束。
中断是 CPU 在每条指令执行结束时（中断周期）检查中断请求线来发现的；若有中断请求且 CPU 允许中断，就进入中断响应。

CPU 检测到异常或中断后，由硬件自动完成以下三件事，这一过程称为中断响应，对应的操作称为中断隐指令：

关中断：在保存断点和程序状态期间禁止响应新的中断，否则断点会被破坏。通常把 PSW 中的中断允许标志 IF 清 0。
保存断点和程序状态：把返回地址（断点）和程序状态字 PSW 保存到栈或特定寄存器中，以便处理完后正确返回。异常的断点与类型有关（故障是当前指令，自陷是下一条指令），中断的断点是下一条指令。
识别异常和中断，转到相应的处理程序：
软件识别：设置一个异常状态寄存器（如 MIPS 的 Cause 寄存器）记录原因，操作系统用统一的处理程序按优先级查询该寄存器；
硬件识别（向量中断）：每个异常和中断都有一个中断类型号，硬件根据类型号到中断向量表中找到对应的中断向量（处理程序的入口地址），送入 PC。

处理程序执行完毕后，用中断返回指令（如 x86 的 iret）恢复断点和 PSW，回到被中断的程序。保存和恢复通用寄存器等”现场”的工作则由处理程序中的指令（软件）完成。中断的优先级、屏蔽、多重中断等内容在第 7 章「中断方式」中详细讨论。

即时练习5 题

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