异常和中断机制
中断和异常本质上一样，不同点：
- 缺页”或“溢出”等异常事件是由特定指令在执行过程中产生的；中断不与任何指令相关联，也不阻止任何指令的完成
- 异常的检测由 CPU 自身完成，不必通过外部的某个信号通知 CPU；而 CPU 必须通过中断请求线获取中断源的信息，才能知道哪个设备发生了何种中断
异常（内中断）
基本概念
- 由 CPU 内部产生的意外事件被称为异常
- 是 CPU 执行一条命令时，由 CPU 在其内部检测到的，与正在执行指令相关的同步事件
- 每个指令周期末尾，CPU 都会检查是否有外中断信号需要处理
分类
- 硬故障中断：由硬连线出现异常引起的
- 如存储器校验错、总线错误等
- 包括终止异常和外中断
- 程序性异常【软件中断】：指在 CPU 内部因执行指令而引起的异常事件
- 如整除 0、溢出、断点、单步跟踪、非法指令、栈溢出、地址越界、缺页等
- 包括故障异常和自陷异常
按异常发生的原因和返回方式不同，可分为：
故障（Fault）
- 概念：在引起故障的指令启动之后、执行结束前被检测到的异常事件
- 举例：
- 指令译码时，出现“非法操作码”
- 取数据时，发生“缺段”或“缺页”
- 除数为零
- 地址越界
- 注意：
- 对于“缺段”“缺页”等异常事件，处理之后回到发生故障的指令继续执行
- 断点为当前发生故障的指令
- 对于“非法操作码”“除数为 0”等，因无法通过异常处理程序恢复故障，因此不能回到原断点执行，必须终止进程的执行
自陷（Trap）
- 概念：也称陷阱或陷入，是预先安排的一种“异常事件”，就像预先设置好的“陷阱”一样
- 举例：
- x86 机器中，用于程序调试“断点设置”和单步跟踪功能
- 系统调用命令
- 条件自陷指令
- 注意：
- 系统调用等自陷异常处理之后，回到自陷指令的下一条指令继续执行
终止（Abort）
- 概念：若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，那么程序将无法继续执行，只能终止
- 举例：
- 控制器出错
- 存储器校验错
- 调出中断服务程序来重启系统
- 注意：
- 不是由特定指令产生的，而是随机发生的
中断（外中断）
基本概念
- 由来自 CPU 外部的设备发出的中断请求（常用于输入输出）被称为中断
- 典型的由外部设备触发的、与当前正在执行的指令无关的异步事件
- 外部 I/O 设备通过特定的中断请求信号线向 CPU 提出中断请求
- CPU 每执行完一条指令就检查中断请求信号线，若检测到中断请求，则进入中断响应期
- 外部中断都是在一条指令执行完成后（中断周期）才被检测并处理的
分类
举例：
- I/O 中断：键盘输入，打印机缺纸
- 时钟中断
可屏蔽中断
- 概念：
- 通过可屏蔽中断请求线 INTR 向 CPU 发出的中断请求
- CPU 可以通过在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽或不屏蔽它，被屏蔽的中断信号将不被送到 CPU
不可屏蔽中断
- 概念：
- 通过不可屏蔽中断请求线 NMI 向 CPU 发出的中断请求
- 通常是非常紧急的硬件故障，如电源掉电等
异常和中断响应过程
- 从 CPU 检测到异常或中断事件，到调出相应的处理程序，整个过程称为异常和中断响应
- 响应过程不可被打断，整个中断处理过程是软 / 硬件协同实现的
- 异常和中断事件都是由硬件检测实现的
关中断
- 在保存断点和程序状态期间，不能被新的中断打断，因此要禁止响应新的中断，即关中断
- 设置中断允许触发器（IF）实现【IF = 1 代表开中断，表示允许响应中断】
保存断点和程序状态
- 为了能在异常和中断处理后正确返回到被中断的程序继续执行，必须将程序的断点（返回地址）送到栈或特定寄存器中
- 通常保存在栈中，为了支持异常或中断的嵌套
- 被中断时的 PSW 也要保存，并在返回时恢复
识别异常和中断并转到相应的处理程序
- 软件识别：
- CPU 设置一个异常状态寄存器，用于记录异常原因
- 操作系统使用一个统一的异常或中断查询程序，按优先级顺序查询异常状态寄存器，然后转到内核处理相应程序
- 异常、中断采用
- 硬件识别【向量中断】：
- 异常或中断处理程序的首地址称为中断向量
- 所有中断向量存放在中断向量表
- 每个异常或中断被指定一个中断类型号，可据此快速找到对应的处理程序
- 中断采用