中断和异常概念详解

1.什么是中断?

中断

CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序(中断服务子程序或中断处理程序)，以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。

中断（interrupt）通常被定义为一个事件，该事件改变处理器执行的指令顺序。这样的事件与CPU芯片内外部硬件电路产生的电信号相对应。

中断通常分为同步（synchronous）中断和异步（asynchronous）中断：

同步中断是当指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPU才会发出中断。

异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号随机产生的。中断是由间隔定时器和I/O设备产生的，例如，用户的一次按键会引起一个中断。

异常

在Intel微处理器手册中，把同步和异步中断分别称为异常（exception）和中断（interrupt）。我们也采用这种分类，当然有时我们也用术语“中断信号”指这两种类型。

异常是由程序的错误产生的，或是由内核必须处理的异常条件产生的。第一种情况下，内核通过发送一个每个Unix程序员都熟悉的信号来处理异常。第二种情况下，内核执行恢复异常所需要的所有步骤，例如缺页，或对内核服务的一个请求（通过一条 int 或 sysenter 指令）。

中断处理流程

CPU 响应中断并进行处理，通常经历以下过程：保存当前线程的栈信息、跳转中断服务程序运行、恢复被打断的线程栈继续运行。 如下图所示：

2.中断信号的作用

顾名思义，中断信号提供了一种特殊的方式，使处理器转而去运行正常控制流之外的代码。当一个中断信号达到时，CPU必须停止它当前正在做的事情，并且切换到一个新的活动。为了做到这一点，就要在内核态堆栈保存程序计数器的当前值（即eip和cs寄存器的内容），并把与中断类型相关的一个地址放进程序计数器。

有些事情会使你想起在前一章描述的上下文切换，这发生在内核用一个进程替换另一个进程时。但是，中断处理与进程切换有一个明显的差异：由中断或异常处理程序执行的代码不是一个进程。更确切地说，它是一个内核控制路径，代表中断发生时正在运行的进程执行。作为一个内核控制路径，中断处理程序比一个进程要“轻”（light）（中断的上下文很少，建立或终止中断处理需要的时间很少）。

3.中断和异常

Intel文档把中断和异常分为以下几类：

（1）中断：

可屏蔽中断（maskable interrupt）

非屏蔽中断（nonmaskable interrupt）

（2）异常：

处理器探测异常（processor-detected exception）

当CPU执行指令探测到一个反常条件所产生的异常。可以进一步分为三组，这取决于CPU控制单元产生异常时保存在内核态堆栈eip寄存器中的值。

故障（fault）：通常可以纠正；

陷阱（trap）：在陷阱指令执行后立刻报告；

异常终止（abort）：发生了一个严重的错误；

编程异常

在编程者发出请求时发生。编程异常通常也叫做软中断（software interrupt），这样的异常由两种常用的用途：执行系统调用及给调试程序通报一个特定的事件。

每个中断和异常是由0~255之间的一个数来标识。Intel把这个8位的无符号整数叫做一个向量（vector）。非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的，而可屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的编程来改变。

参考资料:

《深入理解LINUX内核》