中断与异常

简述

中断引入的目的：

• CPU 需要与外设进行交流。
• 因为 CPU 与外设存在显著的速度差异，如果使用轮询的方式则太浪费 CPU 资源了。
• 引入中断机制解决了上面两个问题，但是导致操作系统的理解更加困难。

在操作系统中，有三种特殊的中断事件：

• 由 CPU 外部设备引起的外部事件，简称中断 (interrupt)
  • 比如：IO 中断、时钟中断、控制台中断。
  • 因为它的产生与 CPU 的执行无关，我们也称它为异步中断。
• 把在 CPU 执行指令期间检测到不正常或非法的条件所引起的内部事件称作异常 (exception)
  • 比如：除零错误、地址访问越界。
  • 这类 CPU 内部事件导致的称谓同步中断，也称哪部中断
• 在程序中使用请求系统服务而引发，称作陷入中断 (trap interrupt)、也称软中断、系统调用。

处理中断的的流程大致如下：

1. CPU 收到中断 (8259A) 或者异常的事件时，它会暂定执行当前的程序或任务；
2. CPU 通过 IDT（Interrupt Descriptor Table，存储着中断向量与中断服务例程的对应关系）查询处理中断的例程，IDT 是中断处理的核心结构；
3. 执行例程完成后跳回被打断的程序。

中断描述符表 IDT

IDT 中的中断描述符可以分为三种：

• Task Gate、Interrupt Gate、Trap Gate

下面是这三种中断描述符的结构：

实验中使用到的是后两种结构，他们的实现有着一点微小的区别：

• CPU 跳转到 Interrupt Gate 里的地址时，在将 EFLAGS 保存到栈上之后，清除 EFLAGS 里的 IF 位，以避免重复触发中断。
• 用户进程在正常执行中是不能禁止中断的，也就是说 Trap Gate 不会清除 IF 位。