异常和中断

1. 异常：硬件、系统和应用的组合拳

异常是一个硬件和软件组合到一起的 处理过程。异常的前半生，也就是异常的发生和捕捉，是在硬件层面完成的。但异常的后半生，其实是由软件来完成的。

计算机会为每一种可能发生的异常分配一个异常代码（Exception Number）。也称为中断向量（Interrupt Vector）。异常发生的时候，CPU 检测到一个特殊的信号。这些信号一般叫做发生了一个事件（Event）。CPU 在检测到事件的时候，其实也就拿到了对应的异常代码。

这些异常代码里，I / O 发出的信号的异常代码，是由操作系统来分配的，也就是由软件来设定的。而像加法溢出这样的异常代码，则是由 CPU 预先分配好的，也就是有硬件来分配的。

拿到异常代码以后，CPU 就会触发异常处理的流程。计算机在内存里会保留一个异常表（Exception Table）。也称为中断向量表（Interrupt Vector Table）。这个异常表里面存放的是不同的异常代码对应的异常处理程序（Exception Handler）所在的地址。

CPU 在拿到了异常码之后，会把当前的程序执行的现场，保存到程序栈里面，然后会根据异常码查询，找到对应的异常处理程序，最后把后续指令执行的指挥权，交给这个异常处理程序。

2. 异常的分类

异常可分为 中断、陷阱、故障 和 中止。

1. 中断（Interrupt）。程序在执行到了一半的时候，被打断了。这个打断执行的信号，来自于 CPU 的外部 I / O 设备。
2. 陷阱（Trap）。程序员“故意”主动触发的异常。比如应用程序调用系统调用。
3. 故障（Fault）。陷阱是我们开发程序的时候刻意触发的异常，而故障不是。比如进行加法计算的时候发生了溢出，就是故障类型的异常。
4. 中止（Abort）。当 CPU 遇到了故障，但是恢复不过来的时候，程序就不得不中止了。

3. 异常处理

异常处理流程：保存现场、异常代码查询、异常处理程序调用。

而中止类型的异常，其实是在故障类型异常的一种特殊情况。当故障发生，但是我们发现没有异常处理程序能够处理这种异常的情况下，程序就不得不进入中止状态，也就是最终会退出当前的程序执行。

1. 异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外，比如中断、故障发生的时候。除了本来程序压栈要做的事情之外，我们还需要把 CPU 内当前运行程序用到的所有寄存器，都放到栈里面。最典型的就是条件码寄存器里面的内容。
2. 像陷阱这样的异常，涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候，对应的数据是压到内核栈里，而不是程序栈里。
3. 像故障这样的异常，在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来，继续执行的不是顺序的下一条指令，而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功，必须重新去执行一次。

此文章为2月Day2学习笔记，内容来源于极客时间《深入浅出计算机组成原理》