1.3_2 中断和异常

（一）中断的作用

  CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（是整个系统的管理者），一种是应用程序。

  在合适的情况下（详见第二章进程管理），操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序。

  “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

  一旦发生中断，就会让CPU停止当前执行的应用程序，转而去执行相应的操作系统内核程序。

  即，“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。

  如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。

  而如果CPU一直执行同一个应用程序，又何来“多道程序并发”这件事情呢？

  所以，没有中断技术，就没办法实现“并发”。甚至可以说，没有中断技术，就没有操作系统。

  1）内核态 —> 用户态：执行一条特权指令——修改PSW标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。

  2）用户态 —> 内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。

（二）中断的类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。
• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

1、内中断

例子1：应用程序执行特权指令

  如果应用程序中被植入了一条特权指令，那么，当CPU执行到这条特权指令时，会因指令非法而触发中断信号，CPU会拒绝执行这一条特权指令。

  接下来，CPU会自动地转变为内核态，并且会开始执行“处理中断信号”相关的内核程序。

  这就是一个内中断的典型例子。应用程序执行非法指令，从而引起CPU重新接管控制权。

例子2：应用程序执行非特权指令（除法指令，但除数为0）

  除了这种情况（用户态下执行特权指令），也有非特权指令引起的内中断，例如：执行除法指令时发现除数为0。

  总之，若当前执行的指令是非法的（指令本身是非法的，或者指令中的一些参数非法），则会引发一个中断信号。

例子3：应用程序主动请求操作系统接管（陷入指令）

  有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。

  执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

  注意：“陷入指令”是一种特殊的指令，但绝对不是特权指令。“陷入指令”是在用户态下执行的一条指令（并没有被CPU拒绝执行），既然如此，“陷入指令”肯定不是特权指令。

2、外中断

例子1：时钟中断（由时钟部件发来的中断信号）

时钟部件：每隔一个时间片（如50ms），会给CPU发送一个时钟中断信号。

  例如，有两个应用程序。当应用程序1的指令1、指令2执行之后，时间已经达到50ms，因此时钟部件发送一个时钟中断信号。

  无论是内中断还是外中断，都是中断。既然是中断，那么CPU遇到它时，就会变为内核态，转而执行对应的“处理中断的内核程序”。在此处是“处理时钟中断的内核程序”。

  当“处理时钟中断的内核程序”执行完毕后，又要回归用户态，去继续执行应用程序了。

  那么，此时是继续执行应用程序1的后续指令，还是执行应用程序2？

  由于刚才应用程序1已经用了一个时间片了，接下来，公平起见，它会让应用程序2上CPU运行。

  操作系统内核决定接下来让另一个应用程序上CPU运行。

  应用程序2的执行同理，在一个时间片后，进行时钟中断，并在接下来转而执行应用程序1……

**注：**由上述过程可以得知，两个应用程序是如何依靠时钟中断实现并发运行、相互切换的。可见，“中断”在计算机当中有多大的作用。

例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

  例如，有的应用程序会请求打印机的打印服务。在打印机打印完毕后，打印机会向CPU发送中断信号，用来通知CPU：它的输入/输出任务已经完成了，可以去进行其他操作了。

  同理，这也是一个中断，因此CPU会执行相应的“处理中断的内核程序”，在此处叫做“处理I/O中断的内核程序”。

  总之，上述两个例子中，中断信号都来自于CPU外部，与当前执行的指令内容没有关系。

注：CPU在每一条指令执行结束时，都会例行检查是否有外中断信号。

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3、中断分类总结

中断的分类

1）内中断（也称：异常、例外）

  与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部。

  a.陷阱、陷入（trap）：由陷入指令引发。实际上，这是应用程序”故意“引发的，用来请求操作系统提供相应服务。

  b.故障（fault）：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU的使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障（详见第三章）。

  c.终止（abort）：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：除数为0、非法使用特权指令。

例如除数为0，这是程序本身的bug，内核程序当然没办法修复它，只能把它干掉。

2）外中断（也称：中断）

  与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部。

  a.时钟中断

  b.I/O中断请求

注意：

  内中断、外中断这两个名称，可以很形象地理解两者的本质区别。

  但实际上在很多教材、考试中，内中断也称“异常、例外”，而外中断则直接称为“中断”。

  因此，在教材中、考试中，很多时候遇到的“中断”就是一种狭义的中断——特指外中断。

  而本节中提到的“中断”是广义的中断——包括内中断、外中断。

  总之：大多数的教材、试卷中，“中断”特指狭义的中断，即外中断，而内中断一般称为“异常”。

（三）中断机制的基本原理

  这么多的中断类型，不可能用同一种中断处理程序来处理。所以，CPU要根据中断类型的不同，去找到相对应的中断处理程序。

  不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

  显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”。

具体细节见计组这门课，对于操作系统，理解到此即可。

总结