[科普中国]-错误中断处理

简介

错误中断处理是指处理机调用相关的中断处理程序处理当前错误。计算机中错误有多种，如除零、地址越界等等。在这些错误中，有些错误违反了处理器架构中的保护措施，称为一般保护错误（General protection fault，GPF），是在英特尔x86和AMDx86-64架构和其它架构中的一种错误（或者一种中断），指正在运行的程序（内核或用户态程序）违反处理器架构中的保护措施的情况。

根据错误中断时 CPU 的活动轨迹。还可进一步把错误中断分为外中断和内中断。所谓外中断，是指由于外部设备事件所引起的中断，如通常的磁盘中断、打印机中断等；而内中断则是指由于 CPU 内部事件所引起的中断，如程序出错(非法指令、地址越界)、电源故障等。内中断(trap)也被译为“捕获”或“陷入” 。通常，陷入是由于执行了现行指令所引起的；而中断则是由于系统中某事件引起的，该事件与现行指令无关。由于系统调用引起的中断属于内中断，因此把由于系统调用引起中断的指令称为陷入指令。

错误中断处理过程唤醒被阻塞的驱动(程序)进程当中断处理程序开始执行时，首先去唤醒处于阻塞状态的驱动(程序)进程。如果是采用了信号量机制，则可通过执行 signal 操作，将处于阻塞状态的驱动(程序)进程唤醒；在采用信号机制时，将发送一信号给阻塞进程。

保护被中断进程的 CPU 环境通常由硬件自动将处理机状态字 PSW 和程序计数器(PC)中的内容，保存在中断保留区(栈)中，然后把被中断进程的 CPU 现场信息(即包括所有的 CPU 寄存器，如通用寄存器、段寄存器等内容)都压入中断栈中，因为在中

断处理时可能会用到这些寄存器。图1给出了一个简单的保护中断现场的示意图。该程序是指令在 N 位置时被中断的，程序计数器中的内容为 N+1，所有寄存器的内容都被保留在栈中。

转入相应的设备处理程序由处理机对各个中断源进行测试， 以确定引起本次中断的 I/O 设备， 并发送一应答信号给发出中断请求的进程，使之消除该中断请求信号，然后将相应的设备中断处理程序的入口地址装入到程序计数器中，使处理机转向中断处理程序。

中断处理对于不同的设备，有不同的中断处理程序。该程序首先从设备控制器中读出设备状态，以判别本次中断是正常完成中断，还是异常结束中断。若是前者，中断程序便进行结束处理；若还有命令，可再向控制器发送新的命令，进行新一轮的数据传送。若是异常结束中断，则根据发生异常的原因做相应的处理。

恢复被中断进程的现场当中断处理完成以后，便可将保存在中断栈中的被中断进程的现场信息取出，并装入到相应的寄存器中， 其中包括该程序下一次要执行的指令的地址 N+1、 处理机状态字 PSW，以及各通用寄存器和段寄存器的内容。这样，当处理机再执行本程序时，便从 N+1 处开始，最终返回到被中断的程序。

I/O 操作完成后，驱动程序必须检查本次 I/O 操作中是否发生了错误，并向上层软件报告，最终向调用者报告本次 I/O 的执行情况。除了上述的第 4 步外，其它各步骤对所有 I/O设备都是相同的，因而对于某种操作系统，例如 UNIX 系统，是把这些共同的部分集中起来，形成中断总控程序。每当要进行中断处理时，都要首先进入中断总控程序。而对于第 4 步，则对不同设备须采用不同的设备中断处理程序继续执行。图2给出了中断处理流程。

中断计算机科学中，中断（Interrupt）是指处理器接收到来自硬件或软件的信号，提示发生了某个事件，应该被注意，这种情况就称为中断。通常，在接收到来自外围硬件（相对于中央处理器和内存）的异步信号，或来自软件的同步信号之后，处理器将会进行相应的硬件/软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求（interrupt request，IRQ）。硬件中断导致处理器通过一个运行信息切换（context switch）来保存执行状态（以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主）；软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令，以可编程的方式直接指示这种运行信息切换，并将处理导向一段中断处理代码。中断在计算机多任务处理，尤其是即时系统中尤为有用。这样的系统，包括运行于其上的操作系统，也被称为“中断驱动的”（interrupt-driven）。

硬件中断（Hardware Interrupt）可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。

非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。

处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。

伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。

软件中断（Software Interrupt）软件中断。是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。

处理器通常含有一个内部中断屏蔽位，并允许通过软件来设定。一旦被设定，所有外部中断都将被系统忽略。这个屏蔽位的访问速度显然快于中断控制器上的中断屏蔽寄存器，因此可提供更快速地中断屏蔽控制。

如果一个中断使得机器处于一种确定状态，则称为精确中断（precise interrupt）。精确中断须保证：

程序计数器的值被保存在已知位置。

程序计数器所指向的指令之前的所有指令已被执行完毕。

程序计数器所指向的指令之后的所有指令不可被执行。如果中断信号到来后而转入处理前发生了任何针对寄存器/内存的更改，都必须予以还原。

程序计数器所指向的指令地执行状态已知。

倘无法满足以上条件，此中断被称作非精确中断（imprecise interrupt）。

中断尽管可以提高计算机处理性能，但过于密集的中断请求/响应反而会影响系统性能。这类情形被称作中断风暴（interrupt storm）。