参考《计算机组成》（北京大学 MOOC）

1 异常与中断的来源（为什么需要中断）

首先，说明一下异常和中断这两个概念。

它们两个唯一的区别，就是，没有什么区别。只是不同的地方不同的时间不同的人的叫法不一样，所以，不用太在意区别了，以后我们统称中断。

1.1 什么时候发生中断

一句话！CPU正在干活的时候，有事情打扰它，不让他继续正常工作了，需要去处理其他事情。

那么是什么事情呢？这个事情分成两类

• 内部的事情
• 外部的事情

1.1.1 内部的事情

简而言之，就是执行指令的时候，出现状况了。

出现什么状况了？举例说明

1. 执行加法之后，结果超出了最大范围，发生了溢出（也就是overflow中断 int4）
2. 执行除法的时候，被除数是0，出现了除法零中断（int 0）

关于这一点，在80386手册中是提及过的。

这些中断如何被判断出来的？

硬件判断的！

我们知到，在CPU中有ALU，ALU的输出结果是有结果相关信号的，对于x86体系，会有各种各样的标志位，标志位的结果，是硬件直接给出的，例如下图的ALU的输出结果（ZF SF CF OF）

这些输出的信号，会作用到CPU的其他部件，从而能够让CPU暂停当前工作转而处理异常事件，至于具体发生了什么，我们后面会提及。

关于内部事件的命名

别看只是一个内部事件，关于它的命名有很多，我们来解释一下，就能够清晰明了了。

1. 内部中断：这个不用解释，内部发生了事情，引起CPU中断当前的事情，转而处理紧急事件，就是内部中断。
2. 软件中断：我们刚才提及过，内部发生的事情，是指令的执行结果导致硬件产生了信号，触发中断，而软件的本质就是指令序列，因此是软件中断。
3. 异常：正在执行的指令，执行完之后发现不正常，后面的指令不能继续正常执行，就是异常。

1.1.2 外部的事情

这个中断是CPU外部向CPU发出的中断信号，导致CPU不得不停下手头的工作。例如8259A芯片。

这里有一篇8259A芯片 详解。

外部中断是外部硬件发出的，所以也叫硬件中断，它是被外部信号直接打断，也被称为中断。

最后，附上这个图，作为上面内容的小结。

1.1.3 内部中断和外部中断的区别

用一个比喻来解决：

• 内部中断，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，先把洒出来的水擦干净，再继续工作。
• 外部中断：你在工作，然后你的老板通知你马上开会，你只能先去开会，开完会再继续工作。

1.1.4 未解决的细节问题

我们知到MIPS架构下，中断是在执行完每条指令后判断是不是发生中断，那么，对于内部中断和外部中断（x86下），具体细节又是什么呢？中断什么时候判断什么时候执行？

下图是MIPS的：

x86也一样的，因为指令执行的切换，需要EIP的改变，EIP的改变就需要到达指定时钟周期，因此来说，执行下一条指令or中断服务程序第一条指令的区别就是，EIP更新部件选择更新的值不同而已，本质上都是更新EIP的值。

1.2 发生中断之后干什么

好，现在CPU被某个事件打断了，然后，CPU不得不处理这个事情，那么它接下来会干什么呢？

假设现在进行了add指令，加法得到的结果溢出了，运算结果存储不下，怎么办？

1. 运算发生溢出，硬件电路检测到了溢出，那么应该如何处理呢？如果用硬件处理，这将会比较麻烦，并且，如果以后想修改也很难，因为硬件固定下来了改变不了（当然，硬件会很快，可以实现硬件加速器）。
   
2. 使用软件方式处理溢出，也就是说，如果遇到溢出，就执行一段程序去处理它，也就是一段指令序列。
   
   我们看一看第一个能够处理溢出异常的计算机，如果检测到发生溢出，就自动转向地址0，执行提前存好的程序，执行完之后，再回去继续执行原来的程序，这个地址0的程序是用来处理溢出的，这也就是中断服务程序。

这样就实现了计算机自动去处理溢出异常的情况，使得计算机不会因为异常而停机，同时，这个异常处理的程序，是软件，后续还可以进行修改。

因此这里就有重要的点

1. 如何检测溢出
2. 检测出溢出之后，如何进入地址0执行相应指令
3. 执行完中断处理程序后，如何返回去执行之前的程序

对于问题1，设计一下ALU的硬件电路很容易解决，前面也提到过，不再细说，在《计算机系统基础》（袁春风）教材里提及过这个细节。

对于问题2，我们在检测到运算结果溢出之后，把它发送给EIP指令地址更新部件，一旦溢出，在下一个周期，就会EIP = 0，就能够执行0号单元的程序了。（这么一说，这里是在当前指令执行的时候检测出异常，在下一条指令执行之前切换到了中断服务程序，因此和MIPS一样夹在中间）

对于问题3，我们需要在执行中断处理程序之前，保存好本来应该正常执行的指令的地址，以便于切换回去，这也就涉及到了保护现场和恢复现场的工作。

刚才谈及的是遇到内部中断，现在看看外部中断。

对于80386来说，外部中断通过8259A芯片给它发送的中断信号，接收到中断信号之后，在进行相关的处理，而8259A另一边则连接各种外设（鼠标，键盘…）来，这样CPU就能够处理外部中断请求了，具体操作还是

• 保存现场
• 执行中断处理程序
• 恢复现场

这里是现场，是概括性的，具体包含的内容后续阐述。

1.2.1 小结

对于整个中断的发生以及处理过程，怎么解释呢？我们看一下：

用一个比喻来解决：

• 内部中断，你在工作位工作（指令正常执行），然后不小心把水碰撒到了电脑上（遇到了内部中断），你不得先保存正在编辑的文件然后关机（保存现场），把洒出来的水擦干净（执行中断处理程序），再打开电脑，打开刚才保存的文件（恢复现场），之后继续工作（继续执行指令）。
• 外部中断：你在工作，然后你的老板通知你马上开会（外部中断），你只能先保存好手头工作，之后去开会，回来的时候打开之前保存的文件，继续工作。

2 整篇小结

这里仅仅以仅有一个溢出异常处理为例子，来梳理一下整个流程。

1. 正在执行add指令，加完之后，发现结果太大，放不下，之后ALU产生了一个溢出信号
2. 溢出信号发送给了EIP更新部件，等到下一个时钟周期到来的时候，EIP更新为0
3. 开始执行中断处理程序
4. 该程序先保存好当前CPU各寄存器的值，保存好正常执行的下一条指令的地址
5. 然后执行溢出异常处理程序
6. 之后恢复CPU寄存器的值，恢复EIP的值
7. CPU继续执行add指令之后的指令

按照北大MOOC中给的例子就是，在当前页面执行完加法，发现放不下，因此翻到第一页去执行程序，执行完之后，再翻回来继续执行。