第三章：中断

本章概要

操作系统是计算机系统的监管者，必须能对计算机系统状态的突发变化做出反应，这些系统状态可能是程序执行出现异常，或者是突发的外设请求。当计算机系统遇到突发情况时，不得不停止当前的正常工作，应急响应一下，这是需要操作系统来接管，并跳转到对应处理函数进行处理，处理结束后再回到原来的地方继续执行指令。这个过程就是中断处理过程。

[info] 中断分类

异常(Exception)，指在执行一条指令的过程中发生了错误，此时我们通过中断来处理错误。最常见的异常包括：访问无效内存地址、执行非法指令(除零)、发生缺页等。他们有的可以恢复(如缺页)，有的不可恢复(如除零)，只能终止程序执行。

陷入(Trap)，指我们主动通过一条指令停下来，并跳转到处理函数。常见的形式有通过ecall进行系统调用(syscall)，或通过ebreak进入断点(breakpoint)。

外部中断(Interrupt)，简称中断，指的是 CPU 的执行过程被外设发来的信号打断，此时我们必须先停下来对该外设进行处理。典型的有定时器倒计时结束、串口收到数据等。

外部中断是异步(asynchronous)的，CPU 并不知道外部中断将何时发生。CPU 也并不需要一直在原地等着外部中断的发生，而是执行代码，有了外部中断才去处理。我们知道，CPU 的主频远高于 I/O 设备，这样避免了 CPU 资源的浪费。

本章你将会学到：

• riscv 的中断相关知识
• 中断前后如何进行上下文环境的保存与恢复
• 处理最简单的断点中断和时钟中断。

[info] 为何先学习中断？

我们在实现操作系统过程中，会出现各种不可预知的异常错误，且系统一般都会当机（挂了），让开发者不知所措。如果我们实现的 OS 有了中断（包括异常）处理能力，那么在由于某种编程失误产生异常时，OS 能感知到异常，并能提供相关信息（比如异常出现的原因，异常产生的地址等）给开发者，便于开发者修改程序。

另外，中断机制（特别是时钟中断）是实现后续进程切换与调度、系统服务机制等的基础。