操作系统：异常和中断详解

1.异常

异常是指由CPU内部异常引起的意外时间，分为硬故障中断和程序性异常。
        硬故障中断是由硬连线出现异常引起的，如电源掉电、存储器线路错误等。
        程序性异常（也称软中断）是指在CPU内部因执行指令而引起的异常事件，如整除0、断点、单步跟踪、非法指令、栈溢出、地址越界、缺页、分时系统中的时间片中断及用户态到核心态的切换等。
        按发生异常的报告方式和返回方式不同，内部异常可分为故障（Fault）、自陷（Trap）、终止（Abort）。

（1）故障：指在引起故障等指令启动后、执行结束前被检测到的异常事件。
（2）自陷：也称陷阱或陷入，它是预先安排的一种“异常”事件，就像预先设定的“陷阱”一样。
（3）终止：如果在执行指令的过程中发生了使计算机无法继续执行的硬件故障，如电源掉电、线路故障等，那么程序将无法继续执行，只能终止，此时调出中断服务程序来重启系统。这种异常与前两种不同，他不是特定指令产生的，而是随机发生的。

2.中断的基本概念

程序中断：
        指计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时终止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行源程序。

程序中断的作用：
（1）实现CPU与I/O设备的并行工作。
（2）处理硬件故障和软件错误。
（3）实现人机交互，用户干预机器需要用到干预系统。
（4）实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需借助中断系统。
（5）实时处理需要借助中断系统来实现快速响应。
（6）实现应用程序和操作系统（管态程序）的切换，称为“软中断”。
（7）多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。

程序中断方式的思想：
        CPU在程序中安排好于某个时刻启动某台外设，然后CPU继续执行原来的程序，不需要一直等待外设就绪。一旦外设完成数据传送的准备工作就主动向CPU发出中断请求，请求CPU为自己服务。CPU暂时终止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为外设服务，在中断服务程序中完成一次主机与外设之间的数据传送，传送完成后，CPU返回原来的程序。

三、程序中断方式的工作流程

（1）中断请求：一台计算机允许有多个中断源（中断源：请求CPU中断的设备或事件）
（2）中断判优：中断系统在任一瞬间只能响应一个中断源的请求，所以需要通过优先判断逻辑确认响应哪个中断源的请求。
        中断判优的实现方式：
                硬件实现：硬件排队器
                软件实现：查询程序
（3）CPU响应中断的条件：  ① 中断源有中断请求
                                                ② CPU允许中断及开中断
                                                ③ 一条指令执行完毕且没有更紧迫的任务
（4）中断响应（由硬件实现）：这些操作被称为中断隐指令，没有操作码，操作有关中断、保存断点、引出中断服务程序。
（5）中断向量（略）
（6）中断处理过程：关中断、保存断点、引出中断服务程序、保存现场和屏蔽字、开中断、执行中断服务程序、关中断、恢复现场和屏蔽字、开中断、中断返回。