操作系统中的中断与异常处理机制 中断和异常是操作系统中实现CPU与外部设备协同工作、处理紧急事件的核心机制。它们允许CPU暂停当前任务，转去处理更高优先级的事件，处理完成后恢复原任务。 1. 基本概念与分类 中断 ：来自CPU外部硬件设备的信号，异步发生（与当前指令执行无关） 硬件中断：键盘输入、定时器到期、磁盘I/O完成 可屏蔽中断：可通过中断屏蔽位忽略（如网络包到达） 非可屏蔽中断：紧急事件（如内存错误、电源故障） 异常 ：CPU执行指令时同步检测到的特殊条件 故障（Fault）：可修复错误（如页错误、除零错误） 陷阱（Trap）：主动触发的异常（如系统调用、断点调试） 终止（Abort）：不可恢复错误（如硬件故障） 2. 中断处理硬件支持 中断控制器 ：接收多个中断源信号，进行优先级仲裁后向CPU发送中断请求 中断向量表 ：存储中断处理程序入口地址的数组，每个中断类型有唯一编号 程序状态字 ：包含中断屏蔽位、特权级等控制标志的特殊寄存器 3. 中断处理完整流程 （1） 中断触发阶段 设备通过中断请求线向中断控制器发送信号 中断控制器屏蔽低优先级中断，向CPU发送INTR信号 （2） 现场保存阶段 CPU完成当前指令执行后，检测到中断信号 将当前程序计数器、程序状态字等关键寄存器压入内核栈 关闭中断响应（设置中断屏蔽位防止嵌套中断） （3） 中断识别阶段 CPU从中断控制器读取中断向量号（如键盘中断为0x21） 通过中断描述符表查询对应中断服务程序地址 （4） 上下文切换阶段 保存所有通用寄存器状态到进程控制块 切换到内核态，使用内核栈空间 更新页表基址寄存器指向内核地址空间 （5） 中断处理阶段 执行中断服务程序（ISR） 对于设备中断：读取设备状态寄存器，进行数据传输 对于页错误：分配物理页框，更新页表项 （6） 恢复现场阶段 从内核栈恢复所有寄存器值 恢复程序状态字和程序计数器 切换回用户态（如原程序在用户态运行） 4. 异常处理特殊流程 页错误异常 ： 检查访问地址合法性 分配物理页框并建立映射 重新执行触发异常的指令 系统调用陷阱 ： 通过特定指令（如x86的int 0x80）主动触发 根据系统调用号查找服务例程 进行参数验证和权限检查 5. 关键设计要点 中断嵌套 ：高优先级中断可打断低优先级中断处理 中断共享 ：多个设备共享中断线时需轮询检查中断源 下半部机制 ：将中断处理分为紧急的顶部和可延迟的底部（如软中断、任务队列） 时钟中断 ：周期性中断实现时间片轮转调度和系统计时 6. 实例分析（键盘输入中断） 按键触发键盘控制器中断 CPU保存当前文本编辑器的执行现场 读取键盘扫描码并转换为ASCII码 将字符存入输入缓冲区 唤醒等待输入的进程 恢复文本编辑器执行，字符显示在屏幕上 这种机制保证了操作系统能及时响应外部事件，同时维持多任务环境的隔离性和稳定性。