6、Windows系统中断机制深度解析

Windows系统中断机制深度解析

1. 陷阱调度与中断、异常的区别

在操作系统中，中断和异常是使处理器偏离正常控制流的重要因素。它们既可以由硬件产生，也能由软件触发。当异常或中断发生时，处理器会捕获正在执行的线程，并将控制权转移到操作系统中的固定位置，这一过程被称为“陷阱”。在Windows系统里，处理器会将控制权交给特定的陷阱处理程序，该程序是针对特定中断或异常的函数。

中断和异常存在明显区别。中断是异步事件，可在任何时间发生，通常与处理器当前执行的操作无关。它主要由I/O设备、处理器时钟或定时器产生，并且可以被启用或禁用。而异常是同步条件，通常由特定指令的执行引发。例如，内存访问违规、某些调试器指令以及除零错误等都属于异常。系统服务调用在技术上属于系统陷阱，但内核也将其视为异常。

当硬件异常或中断产生时，x86和x64处理器会首先检查当前代码段（CS）的特权级（CPL）。若线程在Ring 0（内核模式）运行，处理器会在当前堆栈上保存处理器标志、当前代码段、当前程序计数器，以及某些异常情况下的错误代码。若线程在Ring 3（用户模式）运行，处理器会根据任务寄存器（TR）查找当前任务状态段（TSS），并切换到内核堆栈，先保存用户模式的堆栈段和堆栈指针，再保存与内核到内核转换时相同的数据。

这些保存的数据具有双重好处：一方面，它记录了足够的机器状态，以便在中断或异常处理完成后，线程能回到原执行点继续执行；另一方面，操作系统可以根据保存的CS值，判断陷阱的来源，例如区分异常是来自用户模式代码还是内核系统调用。由于处理器仅保存了恢复控制流所需的信息，其余机器状态（如寄存器）会被保存在陷阱帧中。陷阱帧是Windows在线程内核堆栈中分配的数据结构，它存储了线程的执行