中断与异常

中断/异常机制

中断/异常 对于操作系统的重要性就好比：汽车的发动机、飞机的引擎

可以说操作系统是由“中断驱动”或者 “事件驱动”的

概念

• CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应

• CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序

主要作用

• 及时处理设备发来的中断请求

• 可使OS捕获用户程序提出的服务请求

• 防止用户程序执行过程中的破坏性活动

• …… 等等

历史背景——为什么引入中断与异常

中断的引入：为了支持CPU和设备之间的并行操作

• 当CPU启动设备进行输入/输出后，设备便可以独立工作， CPU转去处理与此次输入/输出不相关的事情；当设备完成输入/输出后，通过向CPU发中断报告此次输入/输出的结 果，让CPU决定如何处理以后的事情

异常的引入：表示CPU执行指令时本身出现的问题

• 如算术溢出、除零、取数时的奇偶错，访存地址时越界或执行了“陷入指令” 等，这时硬件改变了CPU当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或执行系统调用

类别

类别	原因	异步/同步	返回行为
中断（Interrupt）	来自I/O设备、其他硬件部件	异步	总是返回到下一条指令
异常 - 陷入（Trap）	有意识安排的	同步	返回到下一条指令
异常 - 故障（Fault）	可恢复的错误	同步	返回到当前指令
异常 - 终止（Abort）	不可恢复的错误	同步	不会返回

事件

• 事件

  • 中断（外中断）：外部事件，正在运行的 程序所不期望的

    • I/O中断

    • 时钟中断

    • 硬件故障

  • 异常（内中断）：由正在执行的指令引发

    • 系统调用

    • 页故障/页错误

    • 保护性异常

    • 断点指令

    • 其他程序性异常 (如算术溢出等)

工作原理

中断/异常机制是现代计算机系统的核心机制之一；硬件和软件相互配合而使计算机系统得以充分发挥能力

硬件该做什么事？ —— 中断/异常响应

捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定方式响应，将处理器控制权交给特定的处理程序

软件要做什么事？ —— 中断/异常处理程序

识别中断/异常类型并完成相应的处理

中断向量表

中断向量

一个内存单元，存放中断处理程序入口地址和程序运行时所需的处理机状态字。

Linux 中的中断向量表

中断响应

1. 设备发出中断信号

2. 硬件保存原程序现场并暂停原程序的执行

3. 根据中断码查询中断向量表

4. 把中断处理程序入口地址等推送到相应的寄存器

5. 执行中断处理程序

6. 恢复现场，返回被事件打断的程序

实例：X86处理器对中断/异常的支持

• 中断

  • 由硬件信号引发的，分为可屏蔽和不可屏蔽中断

• 异常

  • 由指令执行引发的，比如除零异常

  • 80x86处理器发布了大约20种不同的异常

  • 对于某些异常，CPU会在执行异常处理程序之前产生硬件出错码，并压入内核态堆栈

• 系统调用

  • 异常的一种，用户态到内核态的唯一入口

中断向量表/中断描述符表

实模式：中断向量表 (Interrupt Vector)

• 存放中断服务程序的入口地址

  • 入口地址＝段地址左移4位＋偏移地址

  • 不支持CPU运行状态切换

  • 中断处理与一般的过程调用相似

保护模式：中断描述符表 (Interrupt Descriptor Table)

• 采用门(gate) 描述符数据结构表示中断向量

在保护模式下，中断描述符表（IDT）中的每个表项由8个字节组成，其中的每个表项叫做一个门描述符（Gate Descriptor）， “门”的含义是指当中断发生时必须先访问这些“门”，能够“开门”（即将要进行的处理需通过特权检查，符合设定的权限等约束）后，然后才能进入相应的处理程序。而门描述符则描述了“门”的属性（如特权级、段内偏移量等）。

四种类型门描述符

• 任务门(Task Gate)

• 中断门(Interrupt Gate)

  • 给出段选择符 (Segment Selector)、中断/异常程序的段内偏移量 (Offset)

  • 通过中断门后系统会自动禁止中断

• 陷阱门(Trap Gate)

  • 与中断门类似，但通过陷阱门后系统不会自动 禁止中断

• 调用门(Call Gate)

中断控制器（PIC或APIC）

负责将硬件的中断信号转换为中断向量，并引发 CPU 中断