异常与中断

需了解异常和中断的概念和区别，可能在选择题中考察。本节侧重于对比异常和中断，关于中断的具体介绍参考组成原理相关章节的内容。

异常

在 CPU 中，异常是指在程序执行过程中出现的非正常或意外情况，CPU 需要暂停当前执行，转而调用操作系统提供的异常处理程序。异常机制确保系统能够安全、有效地处理错误或特殊事件，并对程序执行做出相应调整。

类型

在执行指令的过程，可能发生如下五类异常：

除法错误
- 触发条件：程序尝试除以零或执行非法除法操作。
- 处理方式：通常由操作系统捕获并中断程序执行，可能显示错误信息或终止程序。
浮点异常
- 触发条件：浮点运算出现错误，例如溢出、下溢、除以零或非法操作（如对负数开平方）。
- 处理方式：操作系统可能中断程序、设置异常标志，或产生 NaN（非数）结果。
缺页异常
- 触发条件：程序访问的内存页尚未加载到物理内存中。
- 处理方式：操作系统会将所需页从磁盘调入内存，更新页表后恢复程序执行。
保护错误
- 触发条件：程序试图进行非法操作，如写入只读内存、访问内核空间或执行特权指令。
- 处理方式：操作系统中断程序执行，防止非法访问。
硬件错误
- 触发条件：由硬件错误引起，如内存故障、总线错误、电源故障等。
- 处理方式：可能导致系统记录错误、尝试修复或直接宕机，具体行为依赖硬件和系统配置。

下表给出了每种类型的一个具体实例，帮助各位理解什么叫做异常：

int a = 10;
int b = 0;
int c = a / b;  // 除以零，触发除法错误

float x = 0.0;
float y = sqrt(-1.0);  // 无效操作，结果为 NaN（非数）

char* ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
char c = ptr[0];  // 当访问 ptr[0] 时，触发缺页异常
                  // 内核通过页调度机制将数据从磁盘加载进内存，随后程序继续执行。

int* ptr = (int*)0xFFFF0000;  // 指向只读或内核地址
*ptr = 42;  // 写操作触发保护错误（Segmentation Fault）

// 机器检查异常通常由硬件引发，难以模拟。
// 示例：某些平台可使用特殊指令测试内存校验错误。
// 实际触发依赖硬件环境，下面为伪代码：
char* bad_addr = (char*)0xDEADBEEF;
char c = *bad_addr;  // 假设该地址引发硬件错误

自陷

自陷（trap）是 CPU 主动转入异常处理的一种机制。当程序运行过程中出现某些情况需要操作系统介入时，CPU 会触发自陷，将控制权交给内核。与外部中断不同，自陷由当前执行指令或条件触发。

自陷的典型应用：

异常处理 当程序发生错误，如除零、非法内存访问、无效指令等，会触发自陷进入异常处理流程。
系统调用 用户程序请求操作系统服务（如打开文件、分配内存等）时，会使用特定的指令（如 x86 的 syscall）触发自陷，从而进入内核态执行系统调用处理程序。
调试断点 在调试程序时，可以设置断点。当程序运行到断点位置时，会触发自陷，暂停程序以供调试器介入。

自陷处理流程（简化版）如下：

CPU 检测到自陷条件（异常、系统调用或断点）；
暂停当前程序执行，保存程序状态（如 PC、寄存器等）；
CPU 切换到内核态，转入操作系统预设的自陷处理程序；
操作系统根据具体情况处理异常或完成服务；
若问题可恢复，恢复程序状态，继续执行；否则终止程序。

陷阱指令 是显式由程序发起的指令，用于触发自陷事件。它常用于系统调用、调试等场景，是用户程序与操作系统交互的重要机制。

通过异常和自陷机制，CPU 和操作系统能有效应对运行中的各种突发情况，既保证系统稳定，又提供对错误的良好容错与控制能力。

中断

中断是指 CPU 在正常执行程序过程中，由 外部设备 或 软件指令 触发的事件，促使 CPU 暂停当前执行，转而响应处理这些事件的一种机制。中断机制使得 CPU 能够及时响应外部输入、计时器、网络等事件，是现代操作系统和硬件协同工作的核心技术之一。

中断处理流程

中断处理流程参考计算机组成原理中的该节。

异常与中断

异常

类型

自陷

中断

分类

中断处理流程