异常和中断处理

大纲定位

五（五）异常和中断机制
要求：掌握异常与中断的基本概念、分类，以及检测与响应的过程。注意本条只到"检测与响应"为止，中断的具体 I/O 处理流程归到大纲六（三）。

考情分析

异常和中断处理在408中以选择题为主，常考"属于哪类中断""中断响应时保存什么""中断屏蔽的作用"。与操作系统章节高度关联，理解硬件机制有助于理解OS的进程调度和设备管理。

基本概念

中断（Interrupt）：CPU 对系统内外部事件的响应机制，暂停当前程序，转而执行中断服务程序（ISR），处理完毕后返回原程序继续执行。

广义上，"中断"分为两类：

类型	又称	来源	举例
内中断（异常）	Exception / Trap	CPU 内部	除零、溢出、缺页、系统调用
外中断（中断）	Interrupt	CPU 外部	I/O完成、时钟、电源异常

异常（内中断）的分类

类型	触发方式	处理后返回	举例
故障（Fault）	指令执行过程中检测到	重新执行触发指令	缺页错误、非法操作码
自陷（Trap）	指令执行后	执行下一条指令	系统调用（int指令）、断点
终止（Abort）	严重错误	不返回，终止进程	硬件故障、双重错误

外中断的分类

类型	特点	举例
可屏蔽中断（INTR）	可通过中断允许标志 IF 屏蔽	I/O 设备完成
不可屏蔽中断（NMI）	不能被屏蔽，优先级最高	电源故障、硬件错误

中断响应过程：中断隐指令

中断响应由硬件自动完成（在每条指令执行结束后检测）。这一串硬件动作有个专门名字：

中断隐指令

中断隐指令指 CPU 响应中断时由硬件自动执行的一系列操作。它叫"指令"，但指令系统里并没有这条指令，程序员也写不出它——它是硬件行为，只是借用了"指令"这个说法。

它完成三件事，一件不多一件不少：

#	动作	为什么必须在这里做
1	关中断	防止保存断点的过程本身被新中断打断
2	保存断点（PC、PSW）	断点不保存就回不去；这一步必须由硬件做，因为软件还没拿到控制权
3	形成中断服务程序入口地址并送 PC	交出控制权

不包括保存通用寄存器——那是 ISR 里的"保护现场"，由软件完成。这是最常被混进来的一项。

这三件事被反复以三种问法考：「中断隐指令完成哪些操作」「中断响应阶段 CPU 做了什么」「哪些工作必须由硬件完成」。答案是同一串。

哪些工作"必须"由硬件完成

问"必须由硬件完成"时，要比中断隐指令的三条更严一层：

工作	谁做	说明
保存断点	只能硬件	软件此刻还没接管，无从下手
关中断	硬件（隐指令），但 ISR 里也能用关中断指令	不是只能硬件
中断判优	硬件或软件	硬件排队器/菊花链可以判优；软件查询法（非向量中断，逐个轮询中断源）同样可以判优。所以它不是"必须由硬件"
保存通用寄存器	软件（ISR 保护现场）
开中断	软件（ISR 里用开中断指令）

判优那一栏是这类题的分水岭：很多人记住"响应优先级由硬件排队器决定"就选了它。"通常由硬件"和"必须由硬件"是两回事——只要存在软件实现方案，就不能叫"必须"。

中断服务程序的执行

中断服务程序（ISR）由软件完成。注意单级中断（不允许嵌套）和多级中断（允许嵌套）的步骤不一样：

步骤	单级中断	多级中断（允许嵌套）
1	保护现场	保护现场
2	—	开中断（这样更高优先级中断才能打进来）
3	中断事件处理	中断事件处理
4	—	关中断（准备恢复现场，不能被打断）
5	恢复现场	恢复现场
6	开中断	开中断
7	中断返回（IRET）	中断返回（IRET）

单级中断的顺序为什么是这样

单级中断全程不允许被打断，所以中间那两次开/关中断都不需要。"开中断"只出现在最后、紧挨着中断返回之前——目的是把中断允许状态还原，让后续程序还能响应中断。

所以单级中断 ISR 内的顺序是：

保护现场 \to 中断事件处理 \to 恢复现场 \to 开中断 \to 中断返回

保存断点和关中断不在这个序列里——它们属于中断隐指令，在 ISR 开始之前就由硬件做完了。题目把七个动作打乱让你排序时，第一步要做的是先把这两个划掉。

IRET 指令从栈中恢复 PC 和 PSW（含 IF 位），返回被中断程序。

中断结束信号（EOI）是谁发给谁的

方向别搞反

EOI（中断结束命令）是 CPU / 中断服务程序发给中断控制器的，告诉它"这个中断我处理完了，可以放行同级或更低级的中断了"。

方向是 CPU $\to$ 中断控制器，不是外设 $\to$ CPU。

外设只会通过中断控制器向 CPU 发中断请求信号，它没有"通知 CPU 处理结束"这回事——处理结束与否只有 CPU 自己知道。所以"外部设备通过中断控制器向 CPU 发中断结束信号"是错误说法。

特权指令

驱动程序和中断服务程序运行在内核态，它们要用的一批指令普通用户程序不许执行，这类指令叫特权指令。

指令	是否特权	理由
I/O 指令（IN / OUT）	是	直接操作设备端口，用户程序乱用会破坏其他进程的设备状态
开中断 / 关中断指令	是	用户程序若能关中断，就能永久霸占 CPU
中断返回指令（IRET）	是	它会恢复 PSW，包括特权级字段——若用户可用，就能把自己提到内核态
停机指令、修改页表基址、加载 PSW	是	同理
系统调用指令（陷入指令 / trap）	否	它恰恰是给用户程序准备的入口：用户态执行它，由硬件把控制权交给内核

系统调用指令为什么必须是非特权的

如果连"请求进入内核"这个动作都要特权，用户程序就永远进不了内核态了——那整个系统调用机制根本无法启动。

所以逻辑是反的：正因为要保护内核，才必须留一扇由硬件把守的门，而这扇门本身对所有人开放。 陷入指令就是这扇门。

图 5.30　异常和中断的处理过程
（袁春风《计算机组成与系统结构》第 3 版，见文末教材出处）

这张图给的是控制流怎么走：用户进程执行到第 $i$ 条指令时发生异常或中断事件 → 控制权转到操作系统的异常/中断处理程序 → 处理完后按情况三选一地回来。

教材在这里定了一条很重要的分界：整个中断处理分两大阶段——① 检测和响应，由硬件完成；② 具体的处理过程，由软件完成。大纲五（五）只要求到"检测与响应"，也就是硬件那一半。

图右下角那三个返回选项正是常考点，对应异常的三种类型：

返回方式	对应类型	例子
返回到当前指令重新执行	故障（fault）	缺页、除数为 0 之外的可恢复错误
返回到下一条指令	陷阱（trap，自陷）	系统调用、断点指令
不返回，终止进程	终止（abort）	硬件故障等不可恢复错误

中断向量表

中断向量：中断服务程序的入口地址。

中断向量表：以中断类型号为索引，存储各中断向量的表格，通常放在内存低地址区（如 x86 实模式下的 0x0000）。

中断类型号 → 查中断向量表 → 中断服务程序入口地址 → 跳转执行

确定中断服务程序入口地址的方法：

向量中断：由中断类型号直接查表，速度快
非向量中断：由软件轮询各设备确定中断源，再转相应处理程序，速度慢

中断优先级

当多个中断同时发生时，按优先级顺序响应：

一般优先级顺序（由高到低）：

内部异常（故障/自陷/终止） > 不可屏蔽中断 > 可屏蔽中断

内部异常优先级最高，因为它直接由当前执行的指令引发，必须立即处理（如缺页故障不处理，指令就无法继续）。注意分层表述：内部异常与外中断比较时内部异常在前；在外中断内部，NMI 优先级高于可屏蔽中断。

可屏蔽中断内部的优先级可通过中断屏蔽字调整。

中断嵌套

在执行中断服务程序过程中，若发生更高优先级的中断，CPU 可暂停当前 ISR 转去处理更高优先级的中断，这称为中断嵌套。

条件：当前 ISR 中已开中断（IF=1），且新中断的优先级更高。

主程序 → 中断A(低优先级) → 中断B(高优先级) → 返回A继续 → 返回主程序

每次嵌套都需要额外的栈空间保存断点，嵌套深度受栈大小限制。

中断屏蔽字

中断屏蔽字用于控制可屏蔽中断之间的优先级关系。每个中断源对应屏蔽字中的一位：

该位为 1 表示屏蔽对应中断（不响应）
该位为 0 表示允许对应中断

通过设置不同的中断屏蔽字，可以实现：

同级中断互相屏蔽
高优先级中断可以打断低优先级中断
调整中断处理的实际优先顺序

注意区分：响应优先级由硬件排队器决定，不可改变；处理优先级由屏蔽字决定，可通过软件调整。

怎么把屏蔽字写出来

一条规则就够

在第 $i$ 级的中断服务程序里，屏蔽字要屏蔽掉"处理优先级不高于自己"的所有中断——包括它自己。

写成判据：

M_{j} = {\begin{cases} 1 & 若 L_{j} 的处理优先级 \leq L_{i} 的处理优先级（含 j = i ） \\ 0 & 若 L_{j} 的处理优先级高于 L_{i} \end{cases}

为什么要屏蔽自己：否则同级中断会不断打断自己，无限嵌套。

三步走：

把题目给的处理优先级顺序抄下来，从高到低排成一行。
找到本级在这行里的位置。
本级及其右边（处理优先级更低的）全部置 1，左边全部置 0；再按 $M_{4} M_{3} M_{2} M_{1} M_{0}$ 的位序填进去。

第 3 步的位序最容易错

屏蔽字写成 $M_{4} M_{3} M_{2} M_{1} M_{0}$ 时，最左边是 $M_{4}$ 、最右边是 $M_{0}$ ，和优先级顺序没有任何关系。

算完"哪几级要屏蔽"之后，一定要按下标重新摆位，别顺手把优先级顺序当成位顺序抄下去。

例：五级中断 $L_{4} \sim L_{0}$ ，屏蔽字为 $M_{4} M_{3} M_{2} M_{1} M_{0}$ （ $M_{i} = 1$ 表示屏蔽 $L_{i}$ ）。响应优先级 $L_{0} > L_{1} > L_{2} > L_{3} > L_{4}$ ，要求处理优先级为 $L_{4} > L_{0} > L_{2} > L_{1} > L_{3}$ 。求 $L_{1}$ 的中断服务程序中的屏蔽字。

解：

第 1 步，处理优先级从高到低： $L_{4}, L_{0}, L_{2}, L_{1}, L_{3}$

第 2 步， $L_{1}$ 排在第 4 位。

第 3 步，屏蔽 $L_{1}$ 自己和右边的 $L_{3}$ ，其余（ $L_{4}$ 、 $L_{0}$ 、 $L_{2}$ ）置 0：

位	$M_{4}$	$M_{3}$	$M_{2}$	$M_{1}$	$M_{0}$
屏蔽 $L_{?}$	$L_{4}$	$L_{3}$	$L_{2}$	$L_{1}$	$L_{0}$
取值	0	1	0	1	0

屏蔽字 = $01010$ 。

注意响应优先级那一行在本题里完全没用上——它只决定"同时来了先响应谁"，不参与屏蔽字的构造。题目给它就是为了干扰。

中断方式下 CPU 占用率的计算

中断章节唯一的计算题型，三步：

每秒中断多少次 $= \frac{设备数据传输率 R}{每次中断传输的字节数 u}$
$u$ 由数据缓冲寄存器的宽度决定：32 位缓冲寄存器一次搬 4 字节， $u = 4$ 。默认按 1 字节算是最常见的错。
每秒花掉的时钟周期 $=$ 中断次数 $\times$ 每次中断开销（周期数）
占比 $= \frac{每秒花掉的周期}{主频} \times 100 %$

CPU 占比 = \frac{R / u \times m}{f} \times 100 %

例：CPU 主频 1GHz，设备接口的数据缓冲寄存器为 32 位，设备数据传输率 50KB/s，每次中断开销（响应 + 处理）1000 个时钟周期。求 CPU 用于该设备 I/O 的时间占比。

解：缓冲寄存器 32 位 $= 4$ 字节，故 $u = 4$ 。

每秒中断次数 = \frac{50 \times 10^{3}}{4} = 12.5 \times 10^{3}

占比 = \frac{12.5 \times 10^{3} \times 1000}{1 \times 10^{9}} = \frac{1.25 \times 10^{7}}{10^{9}} = 1.25 %

若漏看"32 位"直接按 $u = 1$ 算，会得到 5%——正好是另一个选项。题面给出缓冲寄存器/端口宽度，就是在给 $u$ 。

三种 I/O 方式的占用率横向对比（含程序查询、DMA）见 I/O 方式对比。

流水线中的精确中断

流水线使异常处理变得复杂：同一时刻有多条指令处于不同阶段，可能同时产生异常。

精确中断要求：

异常指令之前的所有指令都已完成（结果已写回）
异常指令及其之后的指令都没有修改机器状态

实现方式：异常发生后，标记但不立即处理，等到该指令到达 WB 阶段时再统一处理。之前的指令正常完成，之后的指令全部冲刷。

各流水线阶段可能产生的异常：

阶段	可能的异常
IF	取指地址未对齐、取指缺页
ID	非法操作码
EX	算术溢出、地址计算错误
MEM	数据地址未对齐、数据缺页
WB	一般不产生异常

交互可视化

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例题

例1：以下事件分别属于哪种异常类型？(a) 执行除法指令时除数为0 (b) 程序执行 syscall 指令 (c) 访存时发现页面不在内存中 (d) 检测到总线奇偶校验错误

解：(a) 除零——故障（Fault），处理后可重新执行该除法指令（实际中通常终止进程）。(b) syscall——自陷（Trap），是程序主动触发的，处理后返回下一条指令。(c) 缺页——故障（Fault），OS调入页面后重新执行引起缺页的指令。(d) 总线校验错——终止（Abort），不可恢复的硬件错误。

例2：某系统中断向量表从地址 0x0000 开始，每个表项占 4 字节。中断类型号为 14 的中断服务程序入口地址存放在什么位置？

解：地址 = $0 x 0000 + 14 \times 4 = 0 x 0038$

即中断向量表中地址 0x0038~0x003B 处存放的 4 字节就是 14 号中断服务程序的入口地址。CPU 读取该地址的内容送入 PC，即可跳转到对应的中断服务程序。

例3：在五段式流水线中，IF阶段的指令 $I_{3}$ 发生取指缺页，同时MEM阶段的指令 $I_{1}$ 发生数据缺页。应先处理哪个？

解：按程序顺序， $I_{1}$ 在 $I_{3}$ 之前。精确中断要求按程序顺序处理，因此先处理 $I_{1}$ 的数据缺页。 $I_{1}$ 之后的所有指令（包括 $I_{2}$ 、 $I_{3}$ ）被冲刷。 $I_{1}$ 的缺页处理完后，从 $I_{1}$ 重新开始执行（Fault 返回当前指令）。

易混淆知识点

1. 异常和中断有什么区别？

异常（内中断）由 CPU 内部事件引起（执行指令过程中产生），如除零、缺页、非法指令，与当前指令直接相关。中断（外中断）由 CPU 外部设备引起（I/O 完成、定时器），与当前指令无关。异常在指令执行过程中被检测，中断在指令执行结束后被检测。

2. 缺页属于中断还是异常？

缺页属于异常（内中断）中的故障（Fault）。它在 MEM 阶段发现页面不在主存中时产生，与当前正在执行的访存指令直接相关。处理完缺页后，CPU 重新执行引起缺页的那条指令。

3. Cache 缺失需要异常处理吗？

不需要。Cache 缺失由硬件自动处理（从主存调入 Cache 行），对软件完全透明，不涉及操作系统内核。而缺页需要操作系统介入（调页面、更新页表），是一种异常。

4. 自陷（Trap）是"自愿"的中断吗？

是的。自陷是程序通过执行特定指令（如 syscall、INT n）主动触发的，CPU 据此进入内核态。因此自陷的发生时机是确定的（程序员写了 syscall 就一定触发），与随机发生的外部中断不同。

考点清单

异常（内中断）在指令执行过程中检测，中断（外中断）在指令结束后检测
故障（Fault）：返回后重新执行触发指令（缺页就是这样）
自陷（Trap）：返回后执行下一条指令（系统调用 syscall）
终止（Abort）：不可恢复的硬件故障，不返回
中断隐指令（硬件自动完成）三件事：关中断、保存断点、形成入口地址送 PC——不含保存通用寄存器
保护/恢复现场是软件（ISR）行为；关中断发生在保存断点之前
"必须由硬件完成"的只有保存断点；中断判优硬件软件都能做，不算"必须"
单级中断 ISR 顺序：保护现场 → 处理 → 恢复现场 → 开中断 → 中断返回
EOI 是 CPU 发给中断控制器的，不是外设发给 CPU
系统调用（陷入）指令不是特权指令；I/O 指令、开/关中断、中断返回指令都是
屏蔽字：屏蔽处理优先级不高于本级的所有中断（含自己），再按 $M_{4} \dots M_{0}$ 的位序填
中断方式 CPU 占比 $= \frac{R / u \times m}{f}$ ， $u$ 由数据缓冲寄存器宽度决定
NMI（不可屏蔽中断）不受 IF 标志控制，在外中断中优先级最高
中断向量表以中断类型号为索引，存放 ISR 入口地址
Cache 缺失由硬件处理，缺页由操作系统处理（触发异常）

真题练习

教材出处

异常和中断的处理过程（图 5.30）、"检测与响应由硬件、具体处理由软件"的两阶段划分：袁春风《计算机组成与系统结构》第 3 版 §5.4 带异常处理的处理器设计 · 5.4.1 CPU 对异常和中断的处理，印刷页 p158

异常和中断处理

大纲定位

考情分析

基本概念

异常（内中断）的分类

外中断的分类

中断响应过程：中断隐指令

哪些工作"必须"由硬件完成

中断服务程序的执行

中断结束信号（EOI）是谁发给谁的

特权指令

中断向量表

中断优先级

中断嵌套

中断屏蔽字

怎么把屏蔽字写出来

中断方式下 CPU 占用率的计算

流水线中的精确中断

交互可视化

例题

易混淆知识点

考点清单

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