计算机组成 -- 异常

异常

异常是一个硬件和软件组合在一起的处理过程
- 异常的发生和捕捉，是在硬件层面完成的
- 异常的处理，是在软件层面完成的
计算机会为每一种可能发生的异常，分配一个异常代码（Exception Number），别称中断向量（Interrupt Vector）
异常发生的时候，通常是CPU检测到一个特殊的信号
- 在组成原理里面，一般叫作发生了一个事件（Event），CPU在检测到事件的时候，就已经拿到了对应的异常代码
异常代码
- IO发出的信号的异常代码，是由操作系统来分配，即由软件来设定
- 像加法溢出这样的异常代码，是由CPU预分配的，即由硬件来设定
拿到异常代码后，CPU会触发异常处理流程
- 计算机在内存里，会保留一个异常表（Exception Table），别称中断向量表（Interrupt Vector Table）
- 存放的是不同的异常代码对应的异常处理程序所在的地址
- CPU拿到异常代码后，会先把当前程序的执行现场（CPU当前运行程序用到的所有寄存器），保存到程序栈里面
- 然后根据异常代码查询，找到对应的异常处理程序，最后把后续指令执行的指挥权，交给这个异常处理程序
异常可以由硬件触发，也可以由软件触发

分类

中断（Interrupt）
- 程序执行到一半的时候，被打断了，该打断执行的信号，来自于CPU外部的IO设备
- 在键盘上按下一个按键，就会触发一个相应的信号到达CPU
  - CPU里面某个开关的值发生了变化，即触发了一个中断类型的异常
陷阱（Trap）
- 陷阱是程序主动触发的异常
- 断点
  - 当程序的指令执行到某个位置时，会掉入这个陷阱中，然后，对应的异常处理程序会来处理
- 系统调用
  - 当应用程序调用系统调用时，会从程序的用户态切换到内核态
  - 应用程序通过系统调用去读取文件、创建进程，也是通过触发一次陷阱来进行的
    - 这是因为用户态的应用程序没有权限来做这些事情，要把对应的流程转交给有权限的『异常处理程序』来进行
故障（Fault）
- 与陷阱的区别：陷阱是程序刻意触发的，而故障则不是
- 程序进行加法计算时发生了溢出，属于故障类型的异常
- 故障和陷阱、中断的一个重要区别
  - 故障在异常程序处理完成后，仍然回来处理当前指令，而不是去执行程序的下一条指令
  - 因为当前指令因为故障的原因并没有成功执行完成，需要重新执行一次（抢救一下！）
中止（Abort）
- 中止是故障的一种特殊情况
- 当CPU遇到故障，但恢复不过来的时候，程序不得不中止（退出程序执行）

类型	原因	示例	触发时机	处理后操作
中断	IO设备信号	用户键盘输入	异步	下一条指令
陷阱	程序刻意触发	程序进行系统调用（用户态、内核态切换）	同步	下一条指令
故障	程序执行出错	程序加载的缺页错误	同步	当前指令
中止	故障无法恢复	ECC内存校验失败	同步	退出程序

异步 + 同步
- 中断异常的信号来自于系统外部，而不是在程序的执行过程中，因此称为异步类型的异常
- 陷阱、故障以及中止类型的异常，是在程序执行的过程中发生的，因此称为同步类型的异常
在处理异常的过程中，无论是异步的中断，还是同步的陷阱和故障，都采用统一的处理流程
- 保存现场 -> 异常代码查询 -> 异常处理程序调用
- 中止类型的异常，是故障类型异常的一种特殊情况
  - 当中止异常发生时，发现没有异常处理程序能够处理这种异常，程序不得不进入中止状态，退出当前程序的执行

处理 – 上下文切换

在实际的异常处理流程执行之前，CPU需要去做一次『保存现场』的操作
- 保存现场的操作，和函数调用的过程非常类似
- 切换到异常处理程序的时候，好像去调用一个异常处理函数，指令的控制权被切换到另一个函数里面
- 因此要把当前正在执行的指令去压栈，这样才能在异常处理程序执行完成之后，重新回到当前指令继续往下执行
切换到异常处理程序，比函数调用，是更复杂一些
- 因为异常情况通常发生在程序正常执行的预期之外，如中断、故障发生的时候
  - 因此除了本来程序压栈要做的事情之外，还需要把CPU当前运行程序用到的所有寄存器，都放到栈里面
    - 典型案例：条件码寄存器里面的内容
- 陷阱：涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换
  - 在压栈的时候，对应的数据是压到内核栈里，而不是程序栈
- 故障：在异常处理程序执行完成之后，从栈里返回出来，继续执行的不是顺序的下一条指令，而是故障发生的当前指令
  - 因为当前指令因为故障没有正常执行成功，必须重新执行一次
异常处理流程，不像顺序执行的指令间的函数调用关系，而是更像两个不同的独立进程之间在CPU层面的切换
- 因此这个过程称为上下文切换（Context Switch）