异常与中断

真题练习

本节需要重点掌握 异常和中断的区别，尤其要分清事件来源、与当前指令的关系以及处理完成后的返回位置。关于中断方式的具体过程，参见 I/O 方式。

异常

在 CPU 中，异常是指在程序执行过程中出现的非正常或意外情况，CPU 需要暂停当前执行，转而调用操作系统提供的异常处理程序。异常机制确保系统能够安全、有效地处理错误或特殊事件，并对程序执行做出相应调整。

类型

在执行指令的过程中，可能发生如下五类异常：

除法错误
- 触发条件：程序尝试除以零或执行非法除法操作。
- 处理方式：通常由操作系统捕获并中断程序执行，可能显示错误信息或终止程序。
浮点异常
- 触发条件：浮点运算出现溢出、下溢、除以零或非法操作（如对负数开平方）等情况。
- 处理方式：处理器会设置相应状态标志；异常未被屏蔽时可转入处理程序，被屏蔽时则可能按 IEEE 754 规则产生无穷大或 NaN 等结果。
缺页异常
- 触发条件：程序访问的内存页尚未加载到物理内存中。
- 处理方式：操作系统会将所需页从磁盘调入内存，更新页表后恢复程序执行。
保护错误
- 触发条件：程序试图进行非法操作，如写入只读内存、访问内核空间或执行特权指令。
- 处理方式：操作系统中断程序执行，防止非法访问。
硬件错误
- 触发条件：由硬件错误引起，如内存故障、总线错误、电源故障等。
- 处理方式：可能导致系统记录错误、尝试修复或直接宕机，具体行为依赖硬件和系统配置。

异常示例

下面给出了每种类型的一个具体实例，例如除零、非法浮点操作和缺页，帮助理解什么叫做异常：

除法错误
浮点异常
缺页异常
保护错误
硬件错误（机器检查）

int a = 10;
int b = 0;
int c = a / b;  // 除以零，触发除法错误

float x = 0.0;
float y = sqrt(-1.0);  // 无效操作：通常得到 NaN，并设置浮点异常标志

char* ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
char c = ptr[0];  // 当访问 ptr[0] 时，触发缺页异常
                  // 内核通过页调度机制将数据从磁盘加载进内存，随后程序继续执行。

int* ptr = (int*)0xFFFF0000;  // 指向只读或内核地址
*ptr = 42;  // 写操作触发保护错误（Segmentation Fault）

// 机器检查异常通常由硬件引发，难以模拟。
// 示例：某些平台可使用特殊指令测试内存校验错误。
// 实际触发依赖硬件环境，下面为伪代码：
char* bad_addr = (char*)0xDEADBEEF;
char c = *bad_addr;  // 假设该地址引发硬件错误

自陷

自陷（trap）是由当前执行指令同步引起的控制转移。狭义上，它常指程序显式执行陷阱/系统调用/断点指令后转入内核；更宽泛的教材口径会把由当前指令触发的同步异常也归入内中断。与外部中断不同，自陷与同步异常都不依赖外设异步请求。

自陷与同步异常的典型情形

同步异常处理：除零、非法内存访问、无效指令等由当前指令触发，处理器转入异常处理流程；它们不等同于程序显式发出的陷阱指令。
系统调用 用户程序请求操作系统服务（如打开文件、分配内存等）时，会使用特定的指令（如 x86 的 syscall）触发自陷，从而进入内核态执行系统调用处理程序。
调试断点 在调试程序时，可以设置断点。当程序运行到断点位置时，会触发自陷，暂停程序以供调试器介入。

自陷处理流程（简化）

CPU 检测到自陷条件（显式系统调用/断点，或题设归入该类的同步异常）；
暂停当前程序执行，保存体系结构规定的返回位置和状态；服务程序按需再保存通用寄存器；
CPU 切换到内核态，转入操作系统预设的自陷处理程序；
操作系统根据具体情况处理异常或完成服务；
若问题可恢复，恢复程序状态，继续执行；否则终止程序。

陷阱指令 是显式由程序发起的指令，用于触发自陷事件。它常用于系统调用、调试等场景，是用户程序与操作系统交互的重要机制。

通过异常和自陷机制，CPU 和操作系统能有效应对运行中的各种突发情况，既保证系统稳定，又提供对错误的良好容错与控制能力。

中断

狭义的中断是 CPU 在正常执行程序过程中，由 外部设备 或外部事件发出的请求。它通常与当前正在执行的指令异步，促使 CPU 在满足响应条件时暂停当前程序，转去执行中断处理程序。软件指令主动进入内核属于自陷，不应与这种外部中断混为一谈。中断机制使 CPU 能及时响应输入设备、计时器和网络等事件。

中断和异常的区别

异常发生在 CPU 内部，在一般的分类方法中可以被看为中断类型的一种（内中断），但是在有的书上将中断和异常这两个概念区分了开来：

异常由当前指令执行或 CPU 内部状态引起，与当前指令同步；其中既有故障，也有系统调用等有意触发的自陷。
狭义中断来自 CPU 外部，通常与当前指令异步。

对比项	异常（内中断）	狭义中断（外中断）
来源	当前指令执行或 CPU 内部检测	外设、时钟等 CPU 外部事件
与当前指令关系	通常同步，可重复定位	通常异步，在指令边界响应
典型例子	除零、缺页、系统调用	I/O 完成、定时器请求
返回位置	视故障、自陷、终止类型而定	通常返回下一条待执行指令

不同教材可能把异常和外部中断统称为“中断”，也可能把二者并列；解题时先确认题目的术语口径。

中断处理流程

中断处理流程参见 I/O 方式中的程序中断方式。

返回位置、精确状态与嵌套优先级

异常的同步性使处理器通常能把状态保存到一个精确的指令边界，但不同异常的恢复语义不同。故障类异常在指令尚未完成时发现，例如缺页或可恢复的地址错误；处理完成后应重新执行原指令。自陷常在指令完成后有意进入系统服务，返回位置通常是下一条指令。终止类异常表示当前程序无法可靠恢复，处理器或操作系统可能终止该进程而不返回原控制流。

外部中断一般在当前指令执行完后的边界响应，保存的断点通常指向下一条待执行指令。所谓“保护现场”不仅是把 PC 压栈，还包括处理器状态字、可能被服务程序改写的通用寄存器以及中断屏蔽状态；其中哪些由硬件自动完成、哪些由软件完成取决于体系结构和中断入口约定。恢复时必须以相反顺序还原，才能让被打断程序继续看到原来的寄存器和标志。

屏蔽与优先级解决不同问题

屏蔽位决定某一类可屏蔽请求在当前是否允许进入，优先级决定多个已允许请求中先响应谁，以及当前服务程序能否被更高优先级请求嵌套打断。不可屏蔽中断通常用于严重硬件事件，不能由普通中断允许位关闭，但仍要在体系结构规定的安全边界处理。服务程序若允许嵌套，应先建立可恢复现场并合理设置屏蔽级别；否则低优先级服务程序被打断后可能丢失临时状态或出现无界重入。

中断请求、响应、向量获取、保存现场、执行服务程序和中断返回是一条完整链路。只写“跳到中断服务程序”遗漏了断点与现场，无法解释处理结束后原程序为何能正确继续。