cpu-异常

异常的分类:中断、陷阱、故障和中止


第一种异常叫中断(Interrupt)。顾名思义,自然就是程序在执行到一半的时候,被打断了。这个打断执行的信号,来自于 CPU 外部的 I/O 设备。你在键盘上按下一个按键,就会对应触发一个相应的信号到达 CPU 里面。CPU 里面某个开关的值发生了变化,也就触发了一个中断类型的异常。

第二种异常叫陷阱(Trap)。陷阱,其实是我们程序员“故意“主动触发的异常。就好像你在程序里面打了一个断点,这个断点就是设下的一个"陷阱"。当程序的指令执行到这个位置的时候,就掉到了这个陷阱当中。然后,对应的异常处理程序就会来处理这个"陷阱"当中的猎物。

第三种异常叫故障(Fault)。它和陷阱的区别在于,陷阱是我们开发程序的时候刻意触发的异常,而故障通常不是。比如,我们在程序执行的过程中,进行加法计算发生了溢出,其实就是故障类型的异常。这个异常不是我们在开发的时候计划内的,也一样需要有对应的异常处理程序去处理。

最后一种异常叫中止(Abort)。与其说这是一种异常类型,不如说这是故障的一种特殊情况。当 CPU 遇到了故障,但是恢复不过来的时候,程序就不得不中止了。


linux内核中有软中断和硬中断的说法。比如网卡收包时,硬中断对应的概念是中断,即网卡利用信号“告知”CPU有包到来,CPU执行中断向量对应的处理程序,即收到的包拷贝到计算机的内存

然后“通知”软中断有任务需要处理,中断处理程序返回;软中断是一个内核级别的进程(线程),用于处理硬中断余下的工作,比如网卡收的包需要向上送给协议栈处理。


异常的处理:上下文切换(Context Switch)

在实际的异常处理程序执行之前,CPU 需要去做一次“保存现场”的操作。这个保存现场的操作,和我在第 7 讲里讲解函数调用的过程非常相似。

不过,切换到异常处理程序,比起函数调用,还是要更复杂一些。原因有下面几点。

第一点,因为异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外,比如中断、故障发生的时候。所以,除了本来程序压栈要做的事情之外,我们还需要把 CPU 内当前运行程序用到的所有寄存器,都放到栈里面。最典型的就是条件码寄存器里面的内容。

第二点,像陷阱这样的异常,涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候,对应的数据是压到内核栈里,而不是程序栈里。

第三点,像故障这样的异常,在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来,继续执行的不是顺序的下一条指令,而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功,必须重新去执行一次。


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