计算机系统中的中断与异常处理

在计算机系统中，中断（interrupt）和异常（exception）是操作系统和硬件设备之间相互通信的一种机制。中断和异常的发生可以打破CPU的正常执行流程，暂停正在执行的指令，转而执行内核代码来处理特定的事件。

中断

中断是由硬件设备发出的信号，用于通知CPU某个事件的发生。常见的硬件中断包括定时器中断、键盘输入中断、磁盘I/O中断等。当硬件设备发出中断信号时，CPU会根据中断类型调用相应的中断处理程序（interrupt handler）来处理该事件。

中断可以分为外部中断和内部中断。外部中断是由外部设备引发的，比如外部设备的输入或输出操作。内部中断则是由CPU内部事件引发的，比如除零错误、溢出、非法指令等。

异常

异常是由CPU执行指令过程中出现的一种特殊情况，比如除以0、非法指令、保护错误等。当这些异常发生时，CPU会立即暂停当前指令的执行，并跳转到相应的异常处理程序（exception handler）中去处理异常。

和中断不同，异常是由CPU自身引发的，而不是外部设备的触发。异常处理程序通常由操作系统提供。

中断与异常处理过程

中断和异常的处理过程可以概括为以下几个步骤：

1. 中断/异常发生：硬件设备触发中断信号或CPU执行指令过程中出现异常。
2. 当前指令暂停：CPU会停止当前正在执行的指令，并保存相关的状态信息（如指令指针、寄存器值等）。
3. 中断/异常处理程序调用：根据中断/异常的类型，CPU会调用相应的中断处理程序或异常处理程序。
4. 处理中断/异常：中断处理程序或异常处理程序会根据具体情况进行相应操作，例如读取键盘输入、执行特定的指令等。
5. 恢复执行：处理完中断/异常后，CPU会从之前保存的状态信息中恢复，继续执行被暂停的指令。

中断与异常的应用

中断和异常机制在计算机系统中广泛应用，主要有以下几个方面的作用：

1. 硬件设备响应：中断机制可以使CPU及时响应外部设备的输入，提高系统的反应速度。
2. 多任务处理：通过中断/异常处理程序的切换，操作系统可以实现多个任务之间的切换和调度。
3. 错误处理：当发生异常情况时，中断/异常机制可以帮助系统进行错误处理和恢复，避免系统崩溃或数据丢失。
4. 资源管理：操作系统可以利用中断/异常机制来管理系统资源的分配和调度，保证系统的稳定性和公平性。

总之，中断和异常是计算机系统中非常重要的机制，它们在操作系统和硬件设备之间起着桥梁作用，确保系统的正常运行和稳定性。

参考文献：

• 中断与异常处理

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