计算机中的异常和中断，以及处理（什么是计算机异常）
cac55 2025-07-08 16:47 15 浏览 0 评论
什么是异常和中断？
计算机需要处理各种意外情况，其中，异常和中断是两种重要的机制。出现异常和中断时，计算机会暂停当前工作，处理紧急异常和中断。
中断 (Interrupts)
- 来源：中断一般来源于计算机外部或内部硬件。比如以下的事件：键盘被按下、鼠标移动、硬盘完成读写或定时器到点。
- 触发方式：硬件设备发送电信号给 CPU。CPU 的特定引脚接收到这个信号。
- 发生时间不确定：中断随时可能发生。它与 CPU 当前执行的程序无关。
- 目的明确：中断通知 CPU：某个外部事件需要处理。例如，网络数据包到达了。
- 处理流程：硬件设备发出中断请求信号。CPU 完成当前指令后，暂停执行当前程序。CPU 保存当前程序的状态（如程序计数器和寄存器值）。CPU 根据中断类型，查找并运行对应的“中断服务例程” (ISR)。ISR 处理完中断事件后，CPU 恢复之前保存的程序状态。CPU 继续执行被中断的程序。
- 可屏蔽性：很多中断可以被 CPU 暂时忽略（屏蔽）。这由 CPU 的状态寄存器控制。
异常 (Exceptions)
- 来源：异常由 CPU 自身在执行程序指令时产生。
- 触发原因：程序执行了非法或特殊操作。常见原因有：除零错误（程序试图用零做除数）。访问无效内存地址（如空指针或越界访问）。执行了非法机器指令。程序主动触发（如系统调用指令 int 0x80）。算术运算溢出。缺页异常（虚拟内存机制需要）。
- 与程序相关：异常通常由当前运行程序中的错误或特定操作引起。
- 目的明确：异常通知 CPU：程序执行遇到问题或需要特殊处理。
- 处理流程：CPU 在执行指令时检测到问题或特殊条件。CPU 暂停当前指令的执行。CPU 保存当前程序的状态。CPU 查找并运行对应的“异常处理程序”。处理程序尝试解决问题（如终止程序、修正错误）或执行服务（如系统调用）。处理程序完成后，CPU 可能恢复原程序、终止程序或进行其他操作。
- 类型多样：故障 (Faults)：通常可修复（如缺页异常）。修复后指令可重新执行。陷阱 (Traps)：常用于系统调用或调试。指令执行完后报告。中止 (Aborts)：严重错误（如硬件故障）。程序通常被强制终止。
中断 VS 异常
特点 | 中断 (Interrupts) | 异常 (Exceptions) |
来源 | 外部硬件事件或内部定时器 | CPU 执行指令时检测到的程序错误或特殊条件 |
触发 | 硬件信号（异步） | CPU 内部检测（同步） |
与程序关系 | 通常与当前执行的程序无关 | 直接由当前执行的程序引起 |
目的 | 通知 CPU 外部事件需要处理 | 通知 CPU 程序执行出现问题或需要操作系统服务 |
例子 | 键盘输入、硬盘操作完成、网络数据包到达 | 除零错误、非法内存访问、系统调用指令 |
共同点
- 中断正常流程：两者都迫使 CPU 暂停当前任务。
- 保存现场：CPU 都会保存被中断程序的上下文（程序计数器、寄存器等）。
- 跳转处理：CPU 都会跳转到预定义的处理代码（ISR 或异常处理程序）。
- 恢复执行：处理完成后，CPU 通常尝试恢复被中断的程序（除非程序被终止）。
重要性
异常和中断是操作系统和现代计算机的核心机制。它们使 CPU 能：
- 高效响应外部事件：CPU 无需不断检查设备状态。
- 处理程序错误：防止程序崩溃导致整个系统瘫痪。
- 实现系统服务：应用程序通过异常（如系统调用）请求操作系统功能。
- 支持多任务和虚拟内存：依赖定时器中断和缺页异常。
简单说：中断响应外部信号，异常处理内部问题。它们共同保障计算机稳定、高效运行。
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