第一章 计算机系统概述

中断和异常

• 中断的作用
• 中断的类型
  • 内中断（也称“异常”）
  • 外中断
• 中断机制的基本原理

（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，一种是应用程序。

  内核是整个系统的管理者，在计算机刚启动的时候，运行的是内核程序。在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序。（具体见第二章进程管理相关内容）

  “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。“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。

  而一个应用程序如果运行，则它会一直运行下去，除非发生了中断。可想而知，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一直都只是在运行1个应用程序的话，又何来“并发”？

  所以，没有中断技术，就没有多道程序并发。甚至可以说，没有中断技术就没有操作系统。

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  总之，操作系统内核是一个管理者，当它想要把CPU使用权让给应用程序的时候，它会自愿地用一个特权指令来完成这件事情。但是，当它想要把CPU的使用权重新夺回来的时候，它就要通过“中断”的方式来实现。

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

  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（也称异常、例外）

  与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

  • 陷阱、陷入（trap）

    由陷入指令引发，是应用程序故意引发的。

  • 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使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。

  • 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：整数除0、非法使用特权指令。

• 外中断（也称“中断”）

  与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

  • 时钟中断
  • I/O中断请求

注：在很多地方，“内中断”一般称为异常，“外中断”一般直接称作中断。所以如果说一个狭义的中断往往就是指的外中断，而如果对“中断”进行细分，再谈内外中断。

内中断

  若当前执行的指令是非法的（指令本身是非法的/指令的参数是非法的），则会引发一个中断信号。

  例子1：应用程序试图在用户态下执行特权指令，指令本身是非法的，CPU在执行其程序指令的过程中，会拒绝执行并发出中断信号，转变为内核态进而执行一段处理中断信号的内核程序。

  例子2：执行非特权指令时也会有问题，比如执行除法指令时发现除数为0，也会引发一个内中断，指令的参数是非法的。

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  例子3：有时候应用程序想要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。（陷入指令是特殊的非特权指令，不是特权指令，毕竟它是在用户态下由应用程序发出的）

  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。

外中断

  例子1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。

  计算机会有一个时钟部件，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。

  如应用程序1正在CPU上执行一条条指令时，当执行时间到达50ms，就会暂停运行（只是先暂停一下，如果一会儿它又上CPU了，那么会接着刚才的继续运行），由用户态转为内核态并执行一个内核程序来处理时钟中断信号，并由内核决定接下来该让哪一个应用程序接着上CPU运行。

  例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。

  如某程序向打印机请求打印服务，则打印机在打印完成后会向CPU发送中断信号，用来通知CPU，输入输出任务已经完成了，接下来CPU会转而执行内核程序来处理I/O中断信号。

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  总之，这两种中断信号，都来自CPU的外部，和当前CPU上运行的指令内容是没有关系的。CPU在每一条指令执行结束的时候，都会例行检查是否有外中断信号。

（三）中断机制的基本原理

  刚才我们举的例子当中，有非法指令的中断、I/O中断、除数为0中断等等，每一个中断都对应内核当中不同的中断处理程序。那么CPU是怎么知道自己该执行哪种中断程序的呢？

  **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”。

小结

  没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发。