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“从零到一：揭秘操作系统的奇妙世界”【操作系统中断和异常】

article 2024/12/22 14:04:11

一开始看王道网课，它说内中断就是异常。但是我一查ai，它又说内中断和异常不能等同，是两个概念，这时候我觉得天都塌了。内中断到底是不是异常啊？

我心想我今天一定要把这个搞懂，我来交作业了！我终于知道为什么了！

中断如果是广义的，就包括外中断和内中断对吧？那异常就分为陷阱、障碍和终止。

如果中断是狭义的，咱们知道外中断就是狭义的中断。咱们标题是啥，中断和异常啊对不对？

那此时异常就是内中断，实际上异常是属于内中断的，所以可以代表，所以它才会说异常就是内中断。所以异常我觉得也是狭义上的内中断。

就会有两种结构！啊啊啊啊啊啊啊听懂掌声。

那我现在分两种结构讲一下，先讲广义的。

广义上的中断与异常

【1】中断：

- 定义：计算机系统中用于响应和处理异步事件的机制，包括外中断和内中断。
- 例子：打印机完成打印任务后，会发送一个信号给计算机，这是一个中断，通知操作系统打印任务已完成。

【2】外中断：

- 定义：由计算机外部事件引起的中断，如用户输入、硬件设备的请求等。
- 例子：当你在使用电脑时，突然按下键盘上的“Print Screen”键，这个动作会触发一个外中断，告诉操作系统需要捕捉屏幕截图。

【3】内中断：

- 定义：由计算机内部事件引起的中断，如硬件故障、非法操作等。
- 例子：如果你的电脑内存条出现问题，可能会导致非法内存访问，触发一个内中断。

【4】异常：

- 定义：程序执行过程中出现的非预期情况，需要特别处理。
- 例子：在编程时，尝试除以零会触发一个异常，因为除以零在数学上是未定义的。

【5】终止：

- 定义：程序或进程的正常或非正常结束。
- 例子：当你关闭一个应用程序时，该程序的执行被终止。

【6】障碍：

- 定义：程序执行过程中的错误，可能会导致程序无法继续执行。
- 例子：在编程时，访问一个不存在的数组索引会触发一个障碍。

【7】陷阱：

- 定义：程序中特意设置的中断，用于调试或系统调用。
- 例子：在调试程序时，开发者可能会设置断点，当程序执行到这一点时，会触发一个陷阱，暂停程序执行。

易错点：

中断是一个广泛的概念，包括了外中断和内中断，它们都是异步事件，需要操作系统介入处理。
异常和障碍都是程序执行过程中的错误，但异常通常是非预期的，而障碍可能是由于程序错误或硬件问题导致的。
终止是程序生命周期的结束，可能是由于程序正常完成执行或遇到严重错误。
陷阱是一种特殊的中断，通常用于系统调用或调试目的，与外中断和内中断不同，陷阱是程序有意触发的。
内中断和异常的区别：内中断通常是由硬件事件触发的，无论是硬件故障还是正常硬件操作。异常是由程序执行中的异常情况触发的，这些情况可能是软件错误或硬件异常。

狭义上的中断与异常

想象一下，你正在家里专心做作业，突然电话响了。这个电话铃声就是一个“中断”——它打断了你当前的工作（做作业），要求你立即处理（接电话）。在计算机中，中断也是类似的。当外部设备（比如键盘、鼠标或者打印机）需要与计算机的CPU（中央处理器）通信时，它会发送一个信号，告诉CPU：“嘿，我这里有事情需要处理。”CPU必须暂停当前的工作，去处理这个紧急的请求，比如读取键盘输入或者发送数据到打印机。处理完毕后，CPU会回到它之前被打断的地方，继续工作。

“异常”就像是你在做作业时遇到的一个意外问题。比如，你突然意识到你不知道某个单词怎么写，或者你遇到了一个你不会解的数学题。在计算机中，异常是程序执行过程中出现的错误或特殊情况，比如除以零、访问了不允许访问的内存区域等。当这些错误发生时，程序会触发一个“异常”，操作系统需要介入，决定如何处理这个问题。处理方式可能是修复错误、记录错误信息、关闭程序或者重启程序。

从中断的来源看，直观上可以分成两类：外中断和内中断。

外中断——就是我们指的中断——是指由于外部设备事件所引起的中断，如通常的磁盘中断、打印机中断等；
内中断——就是异常——是指由于 CPU 内部事件所引起的中断，如程序出错(非法指令、地址越界)。内中断(trap)也被译为“捕获”或“陷入”。

【1】外中断

1.定义：由外部设备向 CPU 发出的请求（比如打印），或者突发的外部事件或环境对计算机造成了影响（比如计算机烧了），在 CPU 外部产生。来自于 CPU 外部其它硬件设备的中断，就被称为外中断，是狭义的中断。它们通常是外部设备依照 CPU 时钟随机产生的，因此也被叫做异步中断。中断是让操作系统内核夺回cpu使用权的唯一途径

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。如果这样的话，就无法实现操作系统的并发性。

2.触发原因：通常由外部事件触发，如硬件设备的输入/输出操作、用户输入、硬件故障等。

3.处理方式：当中断发生时，处理器会暂停当前执行的任务，保存当前状态，然后跳转到中断服务程序来处理中断。

4.恢复：中断服务程序执行完毕后，处理器会返回到被中断的地方继续执行。

5.可能引发外中断的两种情况：

时钟中断：计算机硬件时钟部件发出，可以实现计算机多道程序并发执行
IO中断：输入输出设备发出的中断信号，当输入输出任务完成后会向系统发出一个中断信号，通知cpu我的任务已经完成了。接下来cpu会对中断信号的应用程序进行处理

在每条指令执行结束之前，cpu都会例行检查是否有外中断信号需要处理。

【2】内中断

1.定义：CPU 在执行指令时遇到的异常情况，在 CPU 内部产生。通常将 CPU 内部产生的中断称为异常，也称作内中断。异常一般是 CPU 在执行指令时遇到了意外情况、因而必须暂停处理；在指令执行结束后才发出中断，因此也被叫做同步中断。

2.触发原因：由软件执行过程中的错误或异常情况触发，如非法操作、程序错误、算术溢出等。

3.处理方式：当异常发生时，处理器会触发一个异常处理程序（Exception Handler），这个程序负责诊断问题并采取相应的恢复措施。

4.恢复：异常处理程序执行完毕后，程序可能继续执行，也可能终止，这取决于异常的性质和处理结果。

5.可能引发内中断的三种情况：

由陷入指令引发，是应用程序故意的。如有时候应用程序向请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊指令---陷入指令。该指令会引发一个内部中断信号。执行“陷入指令”意味着主动把cpu的使用权还给操作系统，系统调用就是通过过陷入指令完成的。但是请注意！！！陷入指令并不是特权指令！它是在用户态下执行的指令

由错误条件引起，可能被内核程序修复。修复完之后把CPU使用权还给应用程序。

处于用户态，还想执行特权指令

指令参数非法。比如，做除法计算时，除数为0。

由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不将CPU使用权还给应用程序。