什么是CPU异常和中断？

什么是CPU异常和中断？

当你的电脑正在运行一个程序，突然你按下了键盘上的某个键，或者进行的加法运算结果溢出了，这时，CPU需要暂停正在做的事情，先去处理这个突然出现的事件。这些情况就是本文要谈的主题：CPU的异常和中断。

异常和中断就好像你正在做一件事情，但突然有人叫住你，让你去做另一件事情。你不得不停下手头的工作，处理那个突然出现的事情。在这个过程中，你可能需要记住你正在做的事情到哪一步了，以便待会儿可以接着做。这就是CPU异常和中断的基本概念。

什么是“加法运算溢出”？假设我们的计算机只能处理两位数的加法，如果我们让它计算99+2，结果超过了它能处理的范围，这就是所谓的加法运算溢出。

CPU异常和中断是如何发生和捕捉的？

异常和中断的发生和捕捉过程就像我们的身体对外界环境的反应。比如，当你的手碰到热水时，你的皮肤会立即向大脑发送一个痛感信号，大脑接收到这个信号后，会立即做出反应，让你的手迅速离开热水。

同样，键盘的按键信号会通过计算机总线传递到CPU，加法运算溢出这类事件发生在CPU内部，CPU的硬件层面会捕捉到这些异常信号，然后触发相关处理流程。

在这个过程中，CPU会先保存当前程序运行的现场到程序栈（就像你在处理紧急事件前，先记住你正在做的家务到哪一步了），然后根据操作系统的异常表（中断向量表）查找对应的处理程序，并运行它。这其中会涉及到上下文切换。

上下文切换

上下文切换就好像你正在做一件事情，但是需要暂时去做另一件事情，你需要记住你正在做的事情到哪一步了，以便待会儿可以接着做。在CPU异常触发时，操作系统会将当前程序的所有寄存器保存到程序栈中，这就是所谓的上下文切换。待异常处理程序执行完毕，CPU可以再进行上下文切换，继续执行之前的程序的下一条指令。

寄存器就好比一个小本子，程序可以在上面写下它需要记住的信息。程序栈就好比一个书架，当一个程序需要暂停时，它就把自己的小本子放到书架上，等到它需要继续运行时，再从书架上取下自己的小本子。

CPU异常的分类

CPU异常大致可以分为四类：中断、陷阱、故障和中止。

1. 中断，就好像你正在看书，突然有人叫你去吃饭，你就需要停下来去吃饭。比如IO设备（鼠标、键盘、触摸屏等）发送了一个信号到CPU，CPU接收到这个信号后，就会触发中断类型的异常。
2. 陷阱，或称为软中断，就好像你自己决定停下来去做别的事情。这是程序自己刻意触发的，比如系统调用，一个程序需要打开一个文件，但是它自己没有权限，它会发起一个系统调用，请求操作系统帮助它打开这个文件。
3. 故障，就好像你在做一件事情时，出了一点小问题，你需要先去解决这个问题，然后再回来继续做这件事情。这是因为CPU在运算过程中发生了异常，比如内存缺页错误。这就像你在翻书时，突然发现有一页被撕掉了，你需要先找到这一页，然后再继续阅读。
4. 中止，就好像你在做一件事情时，出了一个大问题，你无法解决，只能放弃这件事情。这是因为CPU遇到了无法恢复的故障，例如发现内存中的数据存在错误且无法修正、在处理某个CPU异常的时候又出现了一个新的CPU异常。这就像你在翻书时，发现整本书都被撕掉了，你无法继续阅读，只能放弃。

CPU异常和中断是计算机运行的重要环节，理解它们的原理和处理方式，有助于我们更好地理解计算机的工作原理。通过本文，希望你能对CPU异常和中断有更深入的理解。

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