參考《計算機組成》（北京大學 MOOC）

1 異常與中斷的來源（為什么需要中斷）

首先，說明一下異常和中斷這兩個概念。

它們兩個唯一的區別，就是，沒有什么區別。只是不同的地方不同的時間不同的人的叫法不一樣，所以，不用太在意區別了，以后我們統稱中斷。

1.1 什么時候發生中斷

一句話！CPU正在干活的時候，有事情打擾它，不讓他繼續正常工作了，需要去處理其他事情。

那么是什么事情呢？這個事情分成兩類

• 內部的事情
• 外部的事情

1.1.1 內部的事情

簡而言之，就是執行指令的時候，出現狀況了。

出現什么狀況了？舉例說明

執行加法之后，結果超出了最大范圍，發生了溢出（也就是overflow中斷 int4）

執行除法的時候，被除數是0，出現了除法零中斷（int 0）

關于這一點，在80386手冊中是提及過的。

這些中斷如何被判斷出來的？

硬件判斷的！

我們知到，在CPU中有ALU，ALU的輸出結果是有結果相關信號的，對于x86體系，會有各種各樣的標志位，標志位的結果，是硬件直接給出的，例如下圖的ALU的輸出結果（ZF SF CF OF）

這些輸出的信號，會作用到CPU的其他部件，從而能夠讓CPU暫停當前工作轉而處理異常事件，至于具體發生了什么，我們后面會提及。

關于內部事件的命名

別看只是一個內部事件，關于它的命名有很多，我們來解釋一下，就能夠清晰明了了。

內部中斷：這個不用解釋，內部發生了事情，引起CPU中斷當前的事情，轉而處理緊急事件，就是內部中斷。

軟件中斷：我們剛才提及過，內部發生的事情，是指令的執行結果導致硬件產生了信號，觸發中斷，而軟件的本質就是指令序列，因此是軟件中斷。

異常：正在執行的指令，執行完之后發現不正常，后面的指令不能繼續正常執行，就是異常。

1.1.2 外部的事情

這個中斷是CPU外部向CPU發出的中斷信號，導致CPU不得不停下手頭的工作。例如8259A芯片。

這里有一篇8259A芯片 詳解。

外部中斷是外部硬件發出的，所以也叫硬件中斷，它是被外部信號直接打斷，也被稱為中斷。

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最后，附上這個圖，作為上面內容的小結。

1.1.3 內部中斷和外部中斷的區別

用一個比喻來解決：

• 內部中斷，就好比你在工作位工作，然后不小心把水碰撒了，你不得不停下工作，先把灑出來的水擦干凈，再繼續工作。
• 外部中斷：你在工作，然后你的老板通知你馬上開會，你只能先去開會，開完會再繼續工作。

1.1.4 未解決的細節問題

我們知到MIPS架構下，中斷是在執行完每條指令后判斷是不是發生中斷，那么，對于內部中斷和外部中斷（x86下），具體細節又是什么呢？中斷什么時候判斷什么時候執行？

下圖是MIPS的：

x86也一樣的，因為指令執行的切換，需要EIP的改變，EIP的改變就需要到達指定時鐘周期，因此來說，執行下一條指令or中斷服務程序第一條指令的區別就是，EIP更新部件選擇更新的值不同而已，本質上都是更新EIP的值。

1.2 發生中斷之后干什么

好，現在CPU被某個事件打斷了，然后，CPU不得不處理這個事情，那么它接下來會干什么呢？

假設現在進行了add指令，加法得到的結果溢出了，運算結果存儲不下，怎么辦？

運算發生溢出，硬件電路檢測到了溢出，那么應該如何處理呢？如果用硬件處理，這將會比較麻煩，并且，如果以后想修改也很難，因為硬件固定下來了改變不了（當然，硬件會很快，可以實現硬件加速器）。

使用軟件方式處理溢出，也就是說，如果遇到溢出，就執行一段程序去處理它，也就是一段指令序列。

我們看一看第一個能夠處理溢出異常的計算機，如果檢測到發生溢出，就自動轉向地址0，執行提前存好的程序，執行完之后，再回去繼續執行原來的程序，這個地址0的程序是用來處理溢出的，這也就是中斷服務程序。

這樣就實現了計算機自動去處理溢出異常的情況，使得計算機不會因為異常而停機，同時，這個異常處理的程序，是軟件，后續還可以進行修改。

因此這里就有重要的點

如何檢測溢出

檢測出溢出之后，如何進入地址0執行相應指令

執行完中斷處理程序后，如何返回去執行之前的程序

對于問題1，設計一下ALU的硬件電路很容易解決，前面也提到過，不再細說，在《計算機系統基礎》（袁春風）教材里提及過這個細節。

對于問題2，我們在檢測到運算結果溢出之后，把它發送給EIP指令地址更新部件，一旦溢出，在下一個周期，就會EIP = 0，就能夠執行0號單元的程序了。（這么一說，這里是在當前指令執行的時候檢測出異常，在下一條指令執行之前切換到了中斷服務程序，因此和MIPS一樣夾在中間）

對于問題3，我們需要在執行中斷處理程序之前，保存好本來應該正常執行的指令的地址，以便于切換回去，這也就涉及到了保護現場和恢復現場的工作。

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剛才談及的是遇到內部中斷，現在看看外部中斷。

對于80386來說，外部中斷通過8259A芯片給它發送的中斷信號，接收到中斷信號之后，在進行相關的處理，而8259A另一邊則連接各種外設（鼠標，鍵盤…）來，這樣CPU就能夠處理外部中斷請求了，具體操作還是

• 保存現場
• 執行中斷處理程序
• 恢復現場

這里是現場，是概括性的，具體包含的內容后續闡述。

1.2.1 小結

對于整個中斷的發生以及處理過程，怎么解釋呢？我們看一下：

用一個比喻來解決：

• 內部中斷，你在工作位工作（指令正常執行），然后不小心把水碰撒到了電腦上（遇到了內部中斷），你不得先保存正在編輯的文件然后關機（保存現場），把灑出來的水擦干凈（執行中斷處理程序），再打開電腦，打開剛才保存的文件（恢復現場），之后繼續工作（繼續執行指令）。
• 外部中斷：你在工作，然后你的老板通知你馬上開會（外部中斷），你只能先保存好手頭工作，之后去開會，回來的時候打開之前保存的文件，繼續工作。

2 整篇小結

這里僅僅以僅有一個溢出異常處理為例子，來梳理一下整個流程。

正在執行add指令，加完之后，發現結果太大，放不下，之后ALU產生了一個溢出信號

溢出信號發送給了EIP更新部件，等到下一個時鐘周期到來的時候，EIP更新為0

開始執行中斷處理程序

該程序先保存好當前CPU各寄存器的值，保存好正常執行的下一條指令的地址

然后執行溢出異常處理程序

之后恢復CPU寄存器的值，恢復EIP的值

CPU繼續執行add指令之后的指令

按照北大MOOC中給的例子就是，在當前頁面執行完加法，發現放不下，因此翻到第一頁去執行程序，執行完之后，再翻回來繼續執行。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的x86异常处理与中断机制（1）概述中断的来源和处理方式的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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