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 18 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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