OS+计组之异常和中断一站式理解

OS+计组之异常和中断一站式理解

定义

（来源于《计算机组成与设计——硬件/软件接口》第五版）

1. 遵循MIPS的习惯，异常指的是控制流中任何意外的改变，不论其原因来自内部还是外部。也就是说，异常应该包含内外部两种。

   其实许多体系结构作者不区分异常和中断，统统都叫中断，比如x86。考研王道书上把异常称作内中断，可能是因为体系结构不同吧，不要太纠结了。

2. 外部异常/异步异常：就是我们通常所谓的“中断”，是来自处理器外部的异常，比如I/O中断/外设请求，时钟中断，DMA中断。故中断又叫外中断。

   • 异步中断通常是可屏蔽中断，包括所有的Interupt ReQuest（IRQ中断）
   • 异步中断也有不可屏蔽的，如：电源掉电，物理存储器奇偶校验。

3. 内部异常/同步异常：又叫内中断，包含陷阱(trap)、故障(fault)、终止(abort)。一般源自CPU执行指令内部的事件，比如系统调用(syscall)，非法操作码，地址越界，算术溢出，虚存缺页。

   • 内部异常是不可屏蔽的，这些问题都要及时处理。

     CPU内部有一个中断允许触发器，当该触发器置 “1” 时允许中断，置“0”时屏蔽中断。

补充：内核态和用户态

内核态，或者说CPU的特权模式，是CPU的一种工作状态，它影响CPU对不同指令的执行结果。操作系统通过跟CPU配合，设置特权模式和用户模式，来防止应用程序进行越权的操作

防止应用程序越权访问内存时使用了虚拟地址空间映射的技术，这是操作系统软件配合硬件的MMU共同实现的。在用户模式下，应用程序访问的内存地址是虚拟内存地址，会映射到操作系统指定的物理地址上。这个虚拟内存地址空间就是你说的用户空间。

应用程序无法自由进入内核态，只能通过操作系统提供的接口调用进入，或者在硬件中断到来时被动进入。

应用程序通过操作系统功能来使用硬件。

作者：灵剑
链接：https://www.zhihu.com/question/306127044/answer/555327651
来源：知乎
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CPU对于（外）中断的处理

中断向量法

I/O设备触发中断，中断向量表在内存中，是操作系统提前设置好的，指向了操作系统自己的代码；同时，这个中断也会立即强迫CPU进入内核态，中断返回之后才会会到用户态，下图中全程CPU都处于内核态。

1. 中断隐指令（硬件自动完成）：关中断-保存断点（当前PC内容）-中断服务程序寻址（硬件自动产生中断向量地址（中断类型号）传送到CPU，再从该地址内容得知中断服务程序入口，入口放入PC）

   中断向量是中断服务程序的入口地址，中断向量地址是存放入口地址的地址。套娃警告。

2. 保存现场：PSW状态寄存器，中断屏蔽寄存器，CPU某些特殊寄存器。

3. 开中断

4. 执行中断服务程序（先保存通用寄存器，执行完之后弹出栈，恢复通用寄存器，像x86程序设计中函数的首尾操作）

5. 关中断

6. 恢复现场

7. 开中断

8. 返回

内部异常（内中断）

陷阱

• 陷阱（Trap，又叫访管指令，顾名思义用于访问管态——我还是习惯说陷入内核态）
  • 程序内部有意设置的，最常见的用途就是操作系统的系统调用
  • 系统调用是操作系统为了保护内核，给用户提供了一套接口。与OS资源有关的操作，你自己不能瞎搞，要通过syscall向OS提出服务请求，由OS代为完成。
  • 实际上系统调用时也要通过硬件的中断机制进入内核（Q：所以说syscall总会引发中断？）陷阱和中断通常共享相同的中断向量。

故障

• CPU在运算过程中检测到除以0的溢出异常时，异常向量地址被强制放到PC中，流水线后面的指令被清空。

终止

• 这类是不可恢复的错误，硬件错误，也不会返回到这条指令继续执行。

OS之I/O设备中断方式

（待续）

中断方式

DMA方式