CPU中断与异常详解

### CPU中断与异常详解 #### 一、中断与异常概览 在计算机系统中，**中断**和**异常**是两个关键概念，它们对于确保系统的稳定性和响应性至关重要。本篇将详细介绍这两个概念及其在现代操作系统中的应用。 ##### 1.1 中断定义 中断通常被定义为改变处理器执行指令序列的事件。这类事件对应于由CPU芯片内部或外部硬件电路产生的电信号。 ##### 1.2 中断分类 中断通常分为同步中断和异步中断： - **同步中断**：这些中断由CPU控制单元在执行指令时产生，因此被称为同步中断。控制单元仅在完成一条指令的执行后才发出中断信号。 - **异步中断**：这些中断由其他硬件设备在任意时间生成，与CPU时钟信号无关。 Intel微处理器手册将同步中断和异步中断分别称为“异常”和“中断”。虽然这里采用这种分类方式，但偶尔也会用“中断信号”这一术语来统称这两类中断（同步及异步）。 #### 二、中断与异常的作用 ##### 2.1 中断的作用 中断通常由间隔计时器和I/O设备发出；例如，用户按下键盘上的键就会触发一个中断。 ##### 2.2 异常的作用 另一方面，异常通常是由编程错误或必须由内核处理的异常情况引起的。在第一种情况下，内核通过向当前进程发送一个熟悉的Unix信号来处理异常。在第二种情况下，内核执行所有必要的步骤来从异常情况恢复，如页故障或通过int或sysenter等汇编语言指令请求内核服务。 #### 三、中断信号的作用 当一个中断信号到达时，CPU必须停止当前正在做的事情，并转向处理这个中断信号。这通常涉及到保存当前状态、调用中断处理程序、处理中断并恢复到中断发生前的状态。 ##### 3.1 IRQs与中断 众所周知的IRQs（中断请求）是由I/O设备发出的，这些中断请求会导致中断的发生。接下来，我们将详细讨论80x86处理器如何在硬件级别上处理中断和异常。 ##### 3.2 Linux中的中断处理 剩下的部分将描述Linux操作系统是如何在软件层面上处理中断信号的。需要注意的是，在这一章中，我们主要关注所有PC上通用的“经典”中断，而不涉及某些架构特有的非标准中断。 #### 四、80x86处理器中的中断与异常处理 ##### 4.1 硬件级处理 在80x86处理器中，中断和异常的处理涉及到一系列复杂的步骤，包括但不限于： - **中断向量表**：当发生中断时，处理器会根据中断类型号查找中断向量表中的相应条目，从而定位到相应的中断服务例程。 - **保护机制**：为了确保中断处理过程的安全性，处理器会在进入中断服务例程之前保存当前上下文（寄存器值等），并在返回之前恢复这些值。 - **中断屏蔽**：处理器提供了一种机制来暂时屏蔽某些中断，以防止在处理一个中断时被另一个中断打断。 ##### 4.2 软件级处理 在软件层面，Linux操作系统提供了丰富的API和机制来处理中断信号，包括但不限于： - **注册中断处理程序**：允许开发者为特定类型的中断注册处理程序，以便在发生中断时自动调用。 - **中断上下文处理**：中断处理程序运行在一个特殊的上下文中，不能进行阻塞操作或访问某些敏感资源。 - **软中断**：除了硬件中断外，Linux还支持软中断机制，用于处理那些不需要立即响应但仍然重要的任务。 #### 五、结论 通过本文对中断和异常的深入探讨，我们可以看出这两种机制在计算机系统中的重要性。无论是处理外部事件还是内部错误，中断和异常都是确保系统稳定性和响应性的关键。了解这些机制的工作原理，对于开发高性能和高可靠性的软件系统具有重要意义。