王道操作系统笔记，视频链接：1.3.2 中断和异常

中断的作用

复习：CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序
在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序（第二章进程管理相关内容会说，本节简要略过）
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
没有中断机制的存在，一旦应用程序在CPU上运行，CPU就会一直运行这个应用程序，这样就不存在并发了。
内核态->用户态：一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”。
用户态->内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程。

中断的两种类型

• 中断分为两种类型：
  1. 内中断（也称异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
  2. 外中断（也称中断，这里是狭义的中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
• 内中断例子：
  1. 前面提到过的黑客例子，CPU发现在用户态执行了特权指令，此行为非法，然后会触发“中断”，这就是内中断的例子之一。
  2. 进行除法的时候，发现除数为0，无法计算，这也会触发内中断。
  3. 有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。（执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的）
     注意：陷入指令是比较特殊的指令，但是并非特权指令，这个指令是用户态可执行的。
• 外中断例子：
  1. 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。
     比如时钟部件每隔50ms给CPU发送一个时钟中断信号，CPU接到中断信号后，转化为内核态进行处理，后续可能交接给另一个应用程序执行，从而实现并发。
     注意，这个中断信号属于硬件层面的电信号，并非指令，也就更不用说是不是特权指令了。
  2. I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。
     比如打印机打印完成后，发送中断信号告诉CPU自己打印完成了。
     这个也是电信号，并且所有的外中断都是“CPU外部硬件的电信号”引发的。
     CPU会在对每个指令执行后都去检查是否有外中断需要处理。
• 内中断分类：
  1. 陷阱、陷入（trap）：执行特殊指令后主动触发，并返回下一条指令继续执行的“主动请示”类异常。
  2. 故障（fault）：执行指令时因故卡壳（如缺页或除零），待修复后能返回当前指令重试的“可恢复”类异常。
     注意：整数除以0的情况在X86的CPU中，将其设定为故障类型，但是程序运行一般不会让其重跑，而是直接中断，看着就很像“中止”，但是它不是。另外，浮点数除以0不会报错，而是直接返回特殊值无穷大。
  3. 中止（abort）：因系统状态严重损坏（如双重故障）而无法定位返回地址、直接导致系统崩溃的“致命性”异常。

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序再内存中的存放位置。
显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”。

知识回顾与重要考点