[科普中国]-异常陷阱

简介陷阱

计算机有两种运行模式：用户态， 内核态。 其中操作系统运行在内核态，在内核态中，操作系统具有对所有硬件的完全访问权限，可以使机器运行任何指令；相反，用户程序运行在用户态，在用户态下，软件只能使用少数指令，它们并不具备直接访问硬件的权限。这就出现了问题，假如软件需要访问硬件或者需要调用内核中的函数该怎么办呢，这就是陷阱的作用了。陷阱指令可以使执行流程从用户态陷入内核（这也就是为什么叫做陷阱，而不是捕猎的陷阱）并把控制权转移给操作系统，使得用户程序可以调用内核函数和使用硬件从而获得操作系统所提供的服务，比如用视频软件放一个电影，视频软件就发出陷阱使用显示器和声卡从而访问硬件。

操作系统有很多系统调用接口供用程序调用。陷阱的发生时间是固定的，比如第一次用视频软件时，在加载视频时软件会向操作系统发送陷阱指令，第二次播放时，软件仍然会在同样的时刻发送陷阱指令。这一点是和中断的明显的差别之一。下面介绍中断。

中断中断是由外部事件导致并且它发生的时间是不可预测的，这一点和陷阱不同。外部事件主要是指时钟中断，硬件中断等。由于CPU一次只能运行一条指令，所以在一个时刻只能有一个程序运行，但我们感觉在我们的计算机中明明可以同时运行很多程序啊，这是由于CPU在多个进程之间快速切换所导致的伪并行。如果某一个程序运行了足够长用完了分配给它的时间片，CPU决定切换到另一个进程运行，就会产生一个时钟中断，切换到下一个进程运行。

硬件中断顾名思义就是由硬件引起的中断，比如一个程序需要用户输入一个数据，但用户一直没有输入，操作系统决定是一直等待用户输入还是转而运行别的进程，一般情况是转而运行别的进程，如果用户的输入到来了，那么键盘驱动器会产生一个中断通知操作系统，操作系统保存正在运行的程序的状态，从而切换到原来的进程处理到来的数据。

所以中断发生是随机的且主要作用是完成进程间切换，从而支持CPU和设备之间的并行。

中断和异常的另一个重要差别是，CPU处理中断的过程中会屏蔽中断，不接受新的中断直到此次中断处理结束。而陷阱的发生并不屏蔽中断，可以接受新的中断。

异常异常就是程序执行过程中的异常行为。比如除零异常，缓冲区溢出异常等。不同的操作系统定义了不同种类和数量的异常并且每个异常都有一个唯一的异常号，异常会扰乱程序的正常执行流程，所以异常是在CPU执行指令时本身出现的问题，比如除数为零而出现的除零异常。异常的产生表示程序设计不合理，所以在编程的时候要尽量避免异常的产生。

异常陷阱的基本概念中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断发生的事件被称为中断源。中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求，而CPU收到中断请求后转到相应的事件处理程序称为中断响应。

在有些情况下，尽管产生了中断源和发出了中断请求，但CPU内部的处理器状态字PSW的中断允许位已被清除，从而不允许CPU响应中断。这种情况称为禁止中断。CPU禁止中断后只有等到PSW的中断允许位被重新设置后才能接收中断。禁止中断也称为关中断，PSW的中断允许位的设置也被称为开中断。开中断和关中断是为了保证某段程序执行的原子性。

还有一个比较常用的概念是中断屏蔽。中断屏蔽是指在中断请求产生之后，系统有选择地封锁一部分中断而允许另一部分中断仍能得到响应。不过，有些中断请求是不能屏蔽甚至不能禁止的，也就是说，这些中断具有最高优先级，只要这些中断请求一旦提出，CPU必须立即响应。例如，电源掉电事件所引起的中断就是不可禁止和不可屏蔽的。

分类与优先级根据系统对中断处理的需要，操作系统一般对中断进行分类并对不同的中断赋予不同的处理优先级，以便在不同的中断同时发生时，按轻重缓急进行处理。

根据中断源产生的条件，可把中断分为外中断和内中断。外中断是指来自处理器和内存外部的中断，包括I/0设备发出的I/O中断、外部信号中断(例如用户键人ESC键)。各种定时器引起的时钟中断以及调试程序中设置的断点等引起的调试中断等。外中断在狭义上一般被称为中断。

内中断主要指在处理器和内存内部产生的中断。内中断一般称为陷阱(trap)或异常。它包括程序运算引起的各种错误，如地址非法、校验错、页面失效、存取访问控制错、算术操作溢出、数据格式非法、除数为零、非法指令、用户程序执行特权指令、分时系统中的时间片中断以及从用户态到核心态的切换等都是陷阱的例子。

为了按中断源的轻重缓急处理响应中断，操作系统为不同的中断赋予不同的优先级。例如在UNIX系统中，外中断和陷阱的优先级共分为8级。为了禁止中断或屏蔽中断，CPU的处理器状态字PSW中也设有相应的优先级。如果中断源的优先级高于PSW的优先级，则CPU响应该中断源的请求；反之，CPU屏蔽该中断源的中断请求。

各中断源的优先级在系统设计时给定，在系统运行时是固定的。而处理器的优先级则根据执行情况由系统程序动态设定。除了在优先级的设置方面有区别之外，中断和陷阱还有如下主要区别：

陷阱通常由处理器正在执行的现行指令引起，而中断则是由与现行指令无关的中断源引起的。陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用，而中断处理程序提供的服务则不是为了当前进程的。中断是由硬件引起的，而异常是由软件引起的；中断是异步的，而异常是同步的。

CPU执行完一条指令之后，下一条指令开始之前响应中断，而在一条指令执行中也可以响应陷阱。例如执行指令非法时，尽管被执行的非法指令不能执行结束，但CPU仍可对其进行处理。

异常陷阱类指令BKPT断点格式：BKPT1

操作：

(SSP)一(SP)一6

((SP))一(PC)

((SSP))一(PSW)

(PSW)+-代码存贮器(断点向量)

(PC．15一o)一代码存贮器(断点向量)

说明：引起一个断点陷阱。它类似于立即中断，使用某一向量调用一个将在系统方式下被执行的代码块。该指令用于仿真器系统，以提供执行硬件断点的一种简单方法。

对于一个在所有条件下均适合工作的断点，其指令长度必须不大于处理器中最短的其它指令。这种情况下，为单字节NOP。这种要求是困为断点可能被插入后随其它指令的NOP位置，该指令为转移或者不通过断点执行。若断点指令长于NOP。它在执行指令序列时将与下一条指令发生冲突。

断点指令操作码特定为全1(FF)。这样，未编程的EPROM代码存贮器将包括断点。类似的，NOP指令操作码为全0，以便两个“空白”码说明无害指令。

长度：无

影响标志：无

字节数：1

周期数：23/19(PZ)

RESET软件复位格式：RESET

操作：(PC)