中断和异常

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分类专栏： 程序员的自我修养 文章标签： stm32 windows
于 2019-05-10 15:54:53 首次发布
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异常是我们经常听到的一个词，“系统发生了异常”，“是不是异常导致的？”。但是我们真的了解异常吗，或者有没有想了解一下他到底是什么，以及发生以后的一些细节呢？这篇文章就多个方面来展示一下“异常”。

中断我们也会常常听到，文章会先介绍中断和异常的区别和共同点，以及跟他们关联的中断（异常）向量表，中断（异常）处理例程。

具体的，“异常”其实是cpu提供的一个机制——当cpu当执行指令过程中出错了，有可能是操作数不合理导致的，有可能是访问权限有问题等等，从而产生异常，接着操作系统会对这个异常进行分发处理。如果有调试器会中断到调试器。

操作系统的分发处理，下文会两个方面进行介绍： 

1）异常的核心的数据结构

2）异常分发机制

异常除了cpu异常外，还有软件异常。文章中也会涉及到寄存器的知识。

用一句话概括就是：在保护模式下，当cpu有中断或者异常发生的时候，cpu（硬件）通过IDT来寻找处理函数，这便是操作系统（软件）的中断和异常机制开始的地方。

目录

中断和异常的简要介绍（cpu角度）

中断

异常

根据来源的角度来分类：

根据报告的方式和是否马上终止的角度来分类

异常——分类、异常登记，异常分发

描述异常的核心的数据结构

EXCEPTION_RECORD类

CONTEXT类

处理异常的核心的处理函数

内核函数和API：

引发异常过程：RaiseException 和 RtlRaiseException 和 NtRaiseException 和 KiRaiseException

分发异常过程：KiDispatchException 和 RtlDispatchException 和 KbgkForwardException 和 CommonDispatchException 和 KiUserExceptionDispatcher 

KeBugCheckEx（后面会用到，先看一下）

异常登记

cpu产生的异常

软件产生的异常

异常分发——软件异常和cpu异常一样

KiDispatchException对于内核态异常的分发过程

 KiDispatchException对于用户态异常的分发过程

一个简单的例子：

KiDebugRoutine

结构化异常处理（SEH）机制

向量化异常

中断和异常的共同点（cpu角度）

中断/异常向量列表

上面介绍了一下快速系统调用

中断/异常优先级

中断/异常处理

实模式下的中断向量表IVT

进入中断例程之前的中断过程：

中断例程：

保护模式下的中断描述符表IDT 

IDT中存的是段描述符，其实这里也叫门描述符，分成三种类型：

陷阱门和中断门的中断过程

64为模式下的IDT

断点和单步执行--《软件调试》

1.断点

硬件方法设置断点：

软件方法设置断点

单步执行

陷阱标志:

不同维度看单步

C++异常

1.关键字

2.标准库的异常的继承结构以及简要说明

3.函数声明后面的异常说明

4.为异常安全做努力

结构化异常 和 标准C++异常写法

_set_se_translator 函数——把SEH异常转换成C++异常

端口

in和out指令

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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
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《深入理解Linux内核》读书笔记-第四章-中断和异常(1)
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中断Interruption 异常Exception 在操作系统中引入核心态和用户态这两种工作状态后，就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。但系统不允许用户程序实现核心态的功能，而它们又必须使用这些功能。因此，需要在核心态建立一些“门”，实现从用户态进入核心态。在实际操作系统中，CPU运行上层程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。
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中断和异常的处理过程
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<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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