异常与中断

中断

中断（interrupt）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。

分类

中断是一个比较大的概念，我们可以按照不同的维度对其进行分类：

按照来源

根据中断来源区分：

1. 外部中断：
   • 触发来源：外部设备或外部事件触发，如输入设备、时钟、外部信号等。
   • 响应：CPU 响应外部事件，执行相应的中断处理程序。
2. 内部中断（也叫 异常）：
   • 触发来源：程序或 CPU 内部状态触发，如异常、错误等。
   • 响应：CPU 根据内部条件触发中断，执行特定的中断处理程序。

内部 和 外部 中断触发时间有何差异？

外部中断是在 “当前指令执行完成后” 才响应；内部异常是在 “当前指令执行过程中” 检测到异常而触发，其返回位置由异常类型决定。

按照可嵌套性

执行中断的过程中是否允许 处理其他中断：

• 单级中断：CPU在执行中断服务程序时 不响应 任何新中断请求（即使优先级更高），所有中断按顺序依次串行处理。
• 多重中断（中断嵌套）：CPU在执行中断服务程序时 允许响应 优先级更高的新中断请求，从而暂停当前任务去处理更紧急的事件。

按照可屏蔽性

中断是否可以被 CPU 屏蔽：

1. 可屏蔽中断（Maskable Interrupt）
   • 可以通过设置中断屏蔽位（如 CPU 的中断允许标志）来暂时禁止的中断。
   • 通常为普通外设中断，如键盘、鼠标、网卡等。
2. 不可屏蔽中断（Non-Maskable Interrupt, NMI）
   • 无法被屏蔽的紧急中断，常用于处理系统级错误，如电源故障、内存校验错误等。

基础概念

• 系统中断向量 ：系统中断向量是一个指向中断处理程序入口地址的指针。
• 中断向量表 （Interrupt Vector Table, IVT）：
  • IVT 是一个数据结构，它将中断号映射到中断处理程序的地址。
  • 每个中断向量都包含中断处理程序的入口地址。
• 中断服务程序 （Interrupt Service Routine, ISR）：中断处理程序是一段特殊的代码，用于响应特定的中断事件。
  • 保存被中断程序的上下文（寄存器状态等）。
  • 处理中断事件，例如读取硬件设备的数据、响应软件错误等。
  • 恢复被中断程序的上下文，使程序能够从中断点继续执行。

CPU 可以通过 INT <中断号> 指令来执行特定的中断。当中断发生时，CPU 会根据 中断向量表基址寄存器（IVTBR）查找中断向量表的起始地址，再使用 中断号（中断类型）作为表下标找到相应的中断向量。然后，CPU 会使用中断向量中的地址，跳转到对应的中断处理程序执行。

中断处理流程

上图给出了一个详细的计算机中断处理过程的图例。不同计算机的中断处理过程不同，考察该知识点的题目也经常没有统一的标准。这里说明一个比较详细全面的过程，可以帮助大家应付绝大多数相关考题：

1. 中断触发：
   • 外设向计算机发送一个 IRQ（中断处理请求）。
2. 中断识别：
   • 处理器完成当前指令的执行，并开始中断处理过程。
   • 处理器检查确定哪个中断被触发。如果中断使能，处理器会响应这个中断信号。
3. 处理嵌套和屏蔽：
   • 在执行中断服务程序之前，处理器会禁止或优先级屏蔽进一步的中断，以防止中断处理程序被其他中断打断。
     • 如果是 单级中断：直接关中断
     • 如果是 多重中断：设置中断屏蔽字，要屏蔽比当前中断优先级更低的中断
4. 保存断点：
   • 硬件 会保存当前任务的位置和状态，通常包括程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）和其他必要的寄存器，以便中断处理完成后能够恢复。
5. 中断服务寻址：
   • 根据中断号在 中断向量表 中找到中断向量。
6. 执行中断服务程序：
   • 处理器根据中断向量跳转到相应的中断服务程序（ISR），中断服务程序包含以下内容：
     • 保存现场：程序使用的通用寄存器。
     • 处理中断事件（核心业务逻辑）
     • 恢复现场：恢复之前保存的现场来恢复中断之前执行的任务。
     • 中断返回（开中断、恢复断点）：执行一条专门的中断返回指令（比如 IRET 指令），该指令将程序计数器（PC）和程序状态字（PSW）等恢复到中断前的值，然后继续执行中断之前的程序。

对于中断处理过程，大家需要注意两点：

• 断点 和 现场 的区别。
• 哪些步骤是硬件完成的，哪些步骤是软件完成的。

下图给出了软硬件在中断处理过程中的职责，与上述过程相对应：

中断优先级

为了及时响应重要事件，系统会为每个中断源分配一个 中断优先级（Interrupt Priority）。当多个中断请求同时到达，或在执行一个中断服务程序期间又出现新的中断请求时，CPU 会根据中断优先级决定响应顺序。

中断优先级主要有两个作用：

• 多个中断同时到达时，决定 CPU 首先响应哪个中断。
• 发生中断嵌套时，决定新的中断是否可以打断当前正在执行的中断服务程序。

例如，若中断源 A 的优先级高于 B、C，则：

• 当 A、B 同时发出中断请求时，CPU 会优先响应 A；
• 当 CPU 正在执行 B 的中断服务程序时，若 A 发出中断请求，则 A 可以优先获得处理。

中断嵌套

中断嵌套 是指当 CPU 正在执行一个中断服务程序（ISR）时，如果出现了一个 优先级更高 的中断请求，CPU 会 暂停 当前正在执行的中断服务程序，转而响应新的中断请求。待高优先级中断处理完成后，再返回继续执行原先被暂停的中断服务程序。

这种“中断中再响应中断”的机制，就称为 中断嵌套。

单级中断

若 CPU 在执行中断服务程序期间，即使出现新的 更高优先级 中断请求，也 不予响应，则称为 单重中断。

上文介绍的 中断处理过程 就属于单重中断。其实现方式十分简单：CPU 在进入中断服务程序后关闭中断，直到中断处理结束再重新开启中断。

对于 x86 来说，可通过 FLAGS 寄存器 中的 IF 标志位控制：

• IF = 1（中断使能）：允许 CPU 响应可屏蔽中断请求。
• IF = 0（中断禁止）：CPU 不响应任何可屏蔽中断请求。

多重中断

多重中断（中断嵌套）是指 CPU 在执行中断服务程序期间，允许 更高优先级 的中断打断当前中断服务程序，从而提高系统对关键事件的响应速度。

要实现多重中断，CPU 必须满足两个条件：

• 重新开中断：进入中断服务程序后，需要重新开启中断（IF = 1），否则新的中断请求无法得到响应。
• 优先级控制：必须保证只有 优先级更高 的中断才能打断当前中断服务程序，而较低优先级的中断应继续等待。

第二个条件正是通过 中断屏蔽技术 实现的。

中断屏蔽

中断屏蔽（Interrupt Masking） 用于控制 当前允许响应哪些中断请求，从而实现中断优先级管理。

每个中断源对应一个 屏蔽触发器：

• 1：屏蔽该中断源；
• 0：允许该中断源。

所有屏蔽触发器组成一个 中断屏蔽字（Mask），存储在屏蔽字寄存器中，用于控制各个中断请求是否能够被 CPU 响应。

屏蔽字中的每一位对应一个中断源。当 CPU 正在执行某个中断服务程序时，可以根据当前中断的优先级修改屏蔽字，从而决定哪些新的中断请求可以继续响应。

例如，设四个中断源的优先级为：

A > B > C > D

若 CPU 正在执行 B 的中断服务程序，则通常会设置屏蔽字，使：

• A：允许（优先级更高）
• B：屏蔽（防止重复进入）
• C：屏蔽
• D：屏蔽

这样，当新的中断请求到来时：

• A 可以打断当前 B 的中断服务程序；
• C、D 只能等待 B 处理结束后再响应。

因此，中断屏蔽的作用并不是改变中断优先级，而是 保证只有优先级更高的中断才能发生中断嵌套。

根据是否可以被屏蔽，中断又可分为 可屏蔽中断（Maskable Interrupt） 和 不可屏蔽中断（Non-Maskable Interrupt，NMI）。

可屏蔽中断

可屏蔽中断（IRQ） 是指可以通过设置屏蔽字暂时禁止响应的中断。这类中断通常对应普通外设事件，例如键盘输入、串口通信、USB 设备或定时器中断等。

CPU 可以根据当前正在执行的中断服务程序，动态修改屏蔽字，从而决定哪些可屏蔽中断能够参与中断嵌套。

不可屏蔽中断

不可屏蔽中断（NMI） 是指不能通过屏蔽字或 IF 标志位禁止响应的中断。这类中断通常用于处理系统中的严重错误，例如内存校验错误、电源故障等。

由于 NMI 具有最高优先级，因此即使 CPU 正在执行其他中断服务程序，也会立即响应 NMI，以保证系统的可靠性。

在硬件设计中，可屏蔽中断和不可屏蔽中断通过不同的信号线连接到 CPU。以 x86 为例：

• INTR ：接收 可屏蔽中断，主要处理普通外设中断，其响应受 IF 标志位和中断屏蔽字共同控制。
• NMI ：接收 不可屏蔽中断，用于处理系统严重错误，不受 IF 标志位和中断屏蔽字影响。

嵌套和屏蔽的关联

两者讨论的是 两个不同层次的问题：

• 中断嵌套（Interrupt Nesting）：描述的是 CPU 是否允许 ISR 被另一个 ISR 打断。
• 中断屏蔽（Interrupt Masking）：描述的是哪些中断请求有资格打断当前 ISR。

当然，当我们讨论中断嵌套中的 单级中断 和 多重中断，默认都是 可屏蔽中断。

不可屏蔽中断 是一种特殊情况，它始终可以抢占当前执行流，因此通常不纳入单重/多重中断机制来讨论。

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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：

• 除法错误
• 浮点异常
• 缺页异常
• 硬件错误
• 机器检查

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 主动触发的一类异常。当程序执行过程中出现某些需要操作系统介入处理的情况时，CPU 会暂停当前程序，保存现场，并将控制权交给操作系统的异常处理程序。

与 外部中断 不同，自陷是由 当前正在执行的指令 或 程序运行状态 引起的，而不是由外部设备发出的中断请求。

自陷的典型应用：

1. 异常处理 当程序执行过程中发生错误，如除零、非法内存访问、无效指令等，CPU 会触发自陷，进入相应的异常处理程序。
2. 系统调用 用户程序需要请求操作系统提供服务（如打开文件、创建进程、分配内存等）时，会执行专门的 陷阱指令（如 x86 的 syscall），主动触发自陷，进入内核态执行系统调用处理程序。
3. 调试断点 调试程序时，在断点位置插入断点指令（如 x86 的 int3）。程序执行到该指令时，会触发自陷，暂停运行，等待调试器接管。

自陷处理过程（简化版）如下：

• CPU 检测到自陷条件（异常、系统调用或断点）；
• 保存当前程序的执行现场（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；
• 操作系统根据自陷原因完成异常处理或系统服务；
• 若程序可以继续执行，则恢复现场并返回；否则终止程序。

陷阱指令 是一种由程序 显式执行 的特殊指令，其作用是主动触发自陷。系统调用通常就是通过陷阱指令实现的，因此它是用户程序进入内核态、请求操作系统服务的重要机制。

通过自陷机制，CPU 能够在程序运行过程中及时将控制权交给操作系统，既能处理各种异常，又能安全、高效地完成系统调用等内核服务。