中断和异常

最新推荐文章于 2025-06-29 17:27:00 发布
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本文详细介绍了计算机系统中中断和异常机制的工作原理。中断由外部设备触发，使CPU执行相应的中断处理程序；异常则源于CPU内部，如程序错误或特殊指令。文章还探讨了不同类型的异常及其处理方式。

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在计算机系统中，包括任务切换、时间更新、软件调试在内的很多功能都是依靠中断和异常机制实现的。
中断

中断通常是由CPU外部的输入输出设备（硬件）所触发的，供外部设备通知CPU“有事情需要处理”，因此又叫中断请求。
中断请求的目的是希望CPU暂时停止执行当前正在执行的程序，转去执行中断请求所对应的终端处理例程（Interrupt Service Routine，ISR）。

有些任务是不能被打断的，为了防止CPU在执行这些任务的时候被打断，可以通过执行CLI（clear interrupt）指令清除标志寄存器的IF位，使得此时的CPU不会被“打扰”
有个特殊的东西：一旦有不可屏蔽中断（Non-Maskable Interrupt，NMI）发生时，CPU要立即转去处理。【这种情况非常少】
异常

异常就是满足了CPU内部定义的一些特定条件而产生的 同步事件。
异常来源：

  1. 程序错误（比如除零）
  2. 特殊指令（INT3 ==》 断点异常）
  3. 机器检查异常：CPU执行指令期间检测到CPU内部或外部的硬件错误
异常的分类
  • 错误类异常
    导致错误异常的情况通常可以被纠正，而且一旦纠正后，程序可以无损失地恢复执行。（比如内存页错误（page fault））
    CPU报告错误类异常时，CPU将其状态恢复成导致该异常的指令被执行之前的状态。而且在CPU转去执行异常处理程序前，在栈中保存的CS和EIP指针是指向导致异常的这条指令，所以，当异常处理程序返回继续执行时，CPU接下来被执行的第一条指令仍然是刚才导致异常的那条指令。【如果导致异常的情况还没有被消除，那么CPU会再次产生异常】
  • 陷阱类异常
    导致陷阱类异常的情况通常可以无损失地恢复执行。（比如INT3导致的断点异常就属于陷阱类异常）。
    当CPU报告陷阱类异常时，导致该异常的指令已经执行完成，压入栈的CS和EIP的值是导致该异常的指令执行后接着要执行的下一条指令。【不一定是相邻的指令（比如异常的那一句是跳转指令）】
  • 中止类异常
    中止类异常主要用来报告严重的错误（比如硬件错误和系统表中包含非法值），这种异常是不允许恢复继续执行的。
    比如：栈溢出等
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
中断/异常优先级

多个异常同时发生时，按照优先级处理：
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

异常分发

内核服务NtRaiseException是产生软件异常的主要方法，用户态代码可以通过RaiseException这个API来调用此内核服务。 NtRaiseException内部会调用KiRaiseException，KiRaiseException再调用内核函数KiDispatchException进行异常分发。

对于CPU级别的异常，CPU会通过IDT表寻找异常的处理函数入口（也就是KiTrapXX例程）。对于需要按异常流程分发的异常，KiTrapXX例程会调用CommonDispatchException准备必要的参数，然后调用KiDispatchException进行异常分发。

Linux 中断机制（一）之中断和异常
Projectsauron 的博客
08-12 4万+
中断（interrupt）是指在 CPU 正常运行期间， 由外部或内部事件引起的一种机制。当中断发生时，CPU 会停止当前正在执行的程序，并转而执行触发该中断的中断处理程序。处理完中断处理程序后，CPU 会返回到中断发生的地方， 继续执行被中断的程序。中断机制允许 CPU 在实时响应外部或内部事件的同时，保持对其他任务的处理能力。
异常和中断
u011728490的博客
01-01 3906
一、异常和中断简介 中断一般由硬件(如外设和外部输入引脚)产生的事件，它会引起程序流偏离正常的流程(如给外设提供服务)。当外设或硬件需要处理器的服务时，一般会出现下面的流程： ①外设确认到处理器的中断请求。 ②处理器暂停当前执行的任务 ③处理器执行外设的ISR，若有必要可以选择由软件清除中断请求。 ④处理器继续执行之前暂停的任务。 所有的cortex-m处理器都会提供一个用于中断处理的嵌套向量中断控制器(NVIC)。除了中断请求，还有其他需要服务的事件，将其称为异常。按照ARM的说法，中断也是一种异常。co
计组-中断和异常
Lowjin_的博客
06-29 841
异常（Exception）和中断（Interrupt）是计算机系统中两种重要的事件处理机制，它们允许 CPU 在正常执行指令流时响应内部或外部事件。直接或间接引发的同步事件，通常与程序执行过程中的错误或特殊条件相关（如除零、缺页、非法指令等）。触发的异步事件，用于通知 CPU 有重要事件需要处理（如键盘输入、磁盘 I/O 完成）。的，因为它是由 CPU 在执行某条指令时检测到的，必须立即处理。：同步事件，由 CPU 执行指令时触发，用于错误处理或系统调用。：CPU 在处理一个异常时又触发另一个异常。
Intel手册第3卷中断和异常处理修正1.pdf
08-23
Intel手册第3卷中断和异常处理修正1.pdf介绍了18种不同的中断和异常类型，包括除法出错异常、调试异常、NMI 中断、断点异常、溢出异常、BOUND越界异常、非法操作码异常、设备不可用异常、双重故障异常、协处理器段...
中断和异常测试代码1
08-08
中断和异常是计算机系统中的关键概念，用于处理系统中发生的异步事件或错误情况。中断允许处理器暂停当前执行的任务，转而响应外部硬件事件（如键盘输入、定时器溢出等），而异常则通常与软件错误或特定指令执行时的...
中断与异常
TL2363023951的博客
04-09 1256
中断和异常是指系统、处理器在执行指令过程中突然被别的请求打断而终止当前的程序，转而去处理其他程序。待该中断处理程序处理完后回到该程序中断点继续执行之前程序。
Linux内核--异常和中断的区别
小_鱼的专栏
08-24 1863
相信大家都知道非常著名的两个名词：异常和中断，不过，你真的理解这两个名词在说什么吗？它们之间有什么区别呢？       1.中断       大家都知道，当我们在敲击键盘的同时就会产生中断，当硬盘读写完数据之后也会产生中断，所以，我们需要知道，中断是由硬件设备产生的，而它们从物理上说就是电信号，之后，它们通过中断控制器发送给CPU，接着CPU判断收到的中断来自于哪个硬件设备（这定义在内核中），
浅谈中断与异常
For Geek
05-08 5615
首先讲下硬中断和软中断的区别 硬中断：硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上（注：硬件驱动通常是内核中的一个子程序，而不是一个独立的进程）。 软中断： 1. 软中断的处理非常像硬中断。然而，它们仅仅是由当前正在运行的进程所产生的。 2. 通常，软中断是一些对I/O的请求。这些...
《深入理解Linux内核》读书笔记-第四章-中断和异常(1)
疯狂伯德
02-18 2114
中断（interrupt）通常被定义为一个事件，该事件改变处理器执行的指令顺序。这样的事件与CPU芯片内外部硬件电路产生的电信号相对应。 中断通常分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断： 同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。 异步中断是由其他硬件设备依照CPU
中断 异常
qq_35608277的博客
03-24 309
分类1 中断通常分为同步中断和异步中断： 同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。 ◎ 把同步中断称为异常（exception） 异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号随机产生的。 ◎ 把异步中断称为中断（interrupt） 分类2 （1) 硬中断 由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统...
操作系统之中断异常
coderchem的博客
04-13 1779
中断来自外部，异常来自内部。 中断/异常：指系统发生某个异步/同步事件后,处理机暂停正在执行的程序,转去执行处理该事件程序的过程。 中断引入：为了开发CPU和通道(或设备)之间的并发操作。 异常引入：用于表示CPU执行指令时本身引发的事件。 中断的分级 分级原因：不同的中断可能在同一时间点发出请求。 解决办法：将中断存起来。提供一个容器：中断寄存器——寄存中断事件的全部触发器。给级...
中断和异常的处理过程
最新发布
07-28
<think>我们正在讨论中断和异常的处理机制及流程。根据引用内容，中断和异常是处理器响应外部事件或内部错误的方式。下面我将结合引用内容，详细解释中断和异常的处理机制及流程。 ### 1. **中断（Interrupt）** 中断是由外部设备或事件引起的异步事件，会打断处理器的当前执行流程。 #### 处理流程： 1. **中断请求（IRQ）**：外部设备（如磁盘、键盘）通过中断控制器向CPU发送中断请求信号[^1]。 2. **中断响应**： - CPU在每条指令执行结束后检查中断请求。 - 若中断请求存在且未被屏蔽，则响应中断： - 保存当前执行上下文（程序计数器PC、状态寄存器等）到堆栈或专用寄存器。 - 关闭中断（防止嵌套中断，除非支持中断优先级）。 3. **中断处理**： - CPU根据中断向量号（由中断控制器提供）从中断描述符表（IDT）中获取中断处理程序的入口地址。 - 跳转至中断处理程序执行： - 保存现场（通用寄存器等）。 - 执行设备服务（如读取键盘输入）。 - 发送EOI（End of Interrupt）信号给中断控制器。 4. **中断返回**： - 恢复现场（寄存器）。 - 执行中断返回指令（如`IRET`），恢复之前保存的上下文并继续执行原程序。 #### 中断类型（引用[2]）： - **I/O设备中断**：磁盘、网卡、键盘等。 - **时钟中断**：定时器周期性触发，用于任务调度。 - **非可屏蔽中断（NMI）**：硬件故障等紧急事件。 - **处理器间中断（IPI）**：多核系统中用于核间通信[^2]。 ### 2. **异常（Exception）** 异常是处理器执行指令时检测到的同步事件（如除零错误），分为三类（引用[3]）： 1. **故障（Fault）**：可修复的错误（如页错误）。处理流程： - CPU保存当前状态，跳转到异常处理程序。 - 处理程序修复问题（如加载缺失的页）后，重新执行触发异常的指令。 2. **陷阱（Trap）**：用于调试（如断点）。处理流程： - 保存状态后执行处理程序。 - 处理完成后继续执行触发指令的下一条指令。 3. **中止（Abort）**：严重错误（如硬件故障）。处理流程： - 系统可能直接终止进程或重启。 #### 异常处理流程： 1. **异常检测**：执行指令时由CPU硬件检测（如除零、非法指令）。 2. **异常响应**： - 立即停止当前指令。 - 保存上下文（PC、状态寄存器等）。 3. **异常处理**： - 根据异常类型（向量号）查询IDT，跳转到对应的异常处理程序。 - 执行错误处理（如终止进程或修复错误）。 4. **异常返回**： - 故障类异常：返回触发指令重新执行。 - 陷阱类异常：返回触发指令的下一条指令。 ### 3. **中断与异常的对比** | **特性** | **中断** | **异常** | |----------------|-----------------------------|-----------------------------| | 触发源 | 外部设备 | CPU执行指令时检测到错误 | | 同步性 | 异步（随机发生） | 同步（由特定指令触发） | | 是否可屏蔽 | 部分可屏蔽（NMI除外） | 不可屏蔽 | | 处理目标 | 响应设备请求 | 处理错误或调试 | | 返回行为 | 返回原指令的下一条 | 故障：返回原指令；陷阱：返回下一条 | ### 4. **中断/异常处理的关键机制** - **中断描述符表（IDT）**：存储中断/异常处理程序的入口地址（引用[4]）。 - **中断控制器**：管理多个中断源（如APIC、PIC）。 - **上下文保存**：通过硬件自动完成（如`pushad`指令）。 - **嵌套处理**：高优先级中断可打断低优先级处理程序（需硬件支持）。 ### 5. **处理流程代码示例（简化）** 引用[4]展示了一个中断分发器的伪代码： ```c void _global_interrupt_handler(intptr_t sp, int mcause) { intr_handler_item_t it = s_intr_handlers[mcause]; // 根据中断原因查询处理函数 if (it.handler) { (*it.handler)(it.arg); // 调用注册的中断处理函数 } } ``` > **说明**：`mcause`寄存器存储中断/异常原因码，通过查表调用对应的处理函数[^4]。 ### 6. **实际案例：Linux内核处理流程** 1. **中断入口**（汇编）：保存现场，调用`do_IRQ()`。 2. **中断处理**（C语言）： - 调用设备驱动注册的中断服务例程（ISR）。 - 处理中断共享和优先级。 3. **中断退出**：恢复现场，执行调度（若需要）。 --- §§相关问题§§ 1. 在多核系统中，如何通过处理器间中断（IPI）实现缓存一致性？ 2. 页错误（Page Fault）异常的处理流程是怎样的？ 3. 非可屏蔽中断（NMI）通常用于处理哪些紧急情况？ 4. 中断描述符表（IDT）在操作系统中是如何初始化的？ 5. 硬件中断和软件中断（如`INT 0x80`系统调用）的处理机制有何异同？</think>### 中断和异常处理机制及流程详解 #### 1. **基本概念与分类** - **中断（Interrupt）**：由**外部硬件事件**触发的异步信号（如键盘输入、时钟信号）[^3] - 可屏蔽中断（INTR）：可通过中断屏蔽寄存器忽略 - 非可屏蔽中断（NMI）：必须立即处理的严重事件（如硬件故障）[^2] - **异常（Exception）**：由**CPU执行指令**触发的同步事件[^3] - 故障（Fault）：可修复错误（如页错误） - 陷阱（Trap）：调试中断（如断点） - 中止（Abort）：不可恢复错误（如硬件故障） #### 2. **中断处理流程** ```mermaid sequenceDiagram participant H as 硬件设备 participant C as CPU participant I as 中断控制器 participant M as 内存(IDT) participant H as 处理程序 H->>I: 1. 发送中断请求(IRQ) I->>C: 2. 转发中断信号 C->>C: 3. 保存现场(EFLAGS, CS, EIP) C->>M: 4. 查询IDT获取处理程序地址 C->>H: 5. 跳转执行中断处理程序 H->>I: 6. 发送EOI(中断结束命令) H->>C: 7. 恢复现场(IRET指令) ``` 具体步骤： 1. **中断请求**：设备通过IRQ线发送请求到中断控制器（如APIC）[^1] 2. **中断响应**： - CPU完成当前指令后检查中断请求 - 保存状态寄存器（EFLAGS）和返回地址（CS:EIP）到内核栈 3. **中断分发**： - 通过中断向量号查询中断描述符表（IDT）[^4] - 获取中断处理程序入口地址（如`_global_interrupt_handler`） 4. **处理程序执行**： - 保存通用寄存器状态 - 执行设备服务（如读取键盘缓冲区） - 发送EOI信号通知中断控制器[^2] 5. **中断返回**： - 恢复寄存器状态 - 执行`IRET`指令返回原程序 #### 3. **异常处理流程** ```mermaid graph TD A[指令执行] --> B{检测异常} B -->|无异常| C[继续执行] B -->|有异常| D[保存现场] D --> E[查询IDT] E --> F{异常类型} F -->|故障 Fault| G[修复后重试指令] F -->|陷阱 Trap| H[继续下条指令] F -->|中止 Abort| I[终止进程] ``` 关键差异点： - **同步触发**：异常在特定指令执行时立即发生（如除零错误） - **无EOI信号**：异常处理无需通知外部控制器 - **返回行为**： - 故障：返回触发指令重新执行（如页错误修复后） - 陷阱：返回下一条指令（如断点调试） #### 4. **多核处理机制** - **处理器间中断（IPI）**： - 核心A通过ICR（中断命令寄存器）向核心B发送中断[^2] - 用途： - 任务调度（唤醒空闲核心） - TLB一致性维护（TLB shootdown） - 系统关闭信号广播 - **中断亲和性**：将特定设备中断绑定到指定CPU核心 #### 5. **关键数据结构** - **中断描述符表（IDT）**： ```c struct idt_entry { uint16_t offset_low; // 处理程序地址低16位 uint16_t selector; // 代码段选择子 uint8_t ist; // 中断栈表 uint8_t attributes; // 门类型(P=1表示有效) uint16_t offset_mid; // 处理程序地址中16位 uint32_t offset_high; // 处理程序地址高32位 uint32_t reserved; } __attribute__((packed)); ``` - **中断处理注册**（引用[4]示例）： ```c void _global_interrupt_handler(intptr_t sp, int mcause) { intr_handler_item_t it = s_intr_handlers[mcause]; if (it.handler) { (*it.handler)(it.arg); // 执行注册的处理函数 } } ``` #### 6. **优先级与嵌套** - **中断优先级**： 1. 机器检查 > NMI > 硬件中断 > 陷阱 > 故障 - **嵌套处理**： - 高优先级中断可打断低优先级处理程序 - 内核栈保存多层执行上下文（最多5-8层） #### 7. **典型场景示例** 1. **时钟中断**： - IRQ0触发 → 更新系统时间 → 执行任务调度 2. **页错误异常**： - 访问无效地址 → 触发#PF异常 → 内核分配物理页 → 重试指令 3. **系统调用**： - 执行`INT 0x80` → 陷入内核 → 根据EAX值分发系统调用 > **性能指标**： > 中断延迟 $t_{latency} = t_{detect} + t_{save} + t_{dispatch}$ > 现代系统典型值：$\leq 10\mu s$ (实时系统要求 $\leq 1\mu s$) ---
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