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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 11 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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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)

  1. 来源：异常由 CPU 自身在执行程序指令时产生。
  2. 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）。
  3. 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。
  4. 目的明确：异常通知 CPU：程序执行遇到问题或需要特殊处理。
  5. 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。
  6. 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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