中断和异常
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中断与轮询
首先，我们假想一下，我们正在设计一个操作系统，现在，我们需要为它提供键盘支持。那么，我们如何实现这个功能？
一种方法是，我们使用轮询的方式，即，我们定期检查键盘的状态，如果键盘有输入，我们就处理它。但是，这种方式有一个问题，就是，如果键盘没有输入，那么，我们就会白白浪费 CPU 资源。那么，有没有更好的方法呢？有的，这就是中断。
中断是一种异步的事件处理机制。当某个事件发生时，操作系统会自动调用相应的处理函数来处理该事件。这样，我们就不用一直轮询键盘的状态了。
从上面这个例子，可以举一反三到更多的场景，如下图所示：
中断与异常的定义
中断和异常的通用概念如下：
- 中断(Interrupt) —— 异步异常
- 外部硬件设备所产生的信号
- 异步：产生原因和当前执行指令无关，如程序被磁盘读打断
- 异常(Exception) —— 同步异常
- 软件的程序执行而产生的事件
- 同步：产生和当前执行或试图执行的指令相关
处理流程
CPU 的执行逻辑很简单：
- 以 PC 的值为地址从内存中获取一条指令并执行
- PC+=4，goto 1
而在上面的执行过程中，可能发生以下两种情况：
- 指令执行出现错误，比如除零或缺页(同步异常)
- 外部设备触发中断(异步异常)
上面的这两种情况，在 RISC-V 平台称为「异常」和「中断」。在检测到上面两种情况时，OS 会进入“trap”。
具体的 trap 处理各阶段的工作，需要同学们根据老师上课教学内容，进行学习。
trap 定义
- 控制流(Control Flow)：
- Branch
- Jump
- 异常控制流(ExceptionalControlFlow，ECF)：
- exception
- interrupt
在 Risc-V 下，ECF 统称为 trap。
对于 OS 来说，想要实现 trap，总共分为下面两步：
- 实现对异常向量表的设置
- CPU 上电后立即执行，这是系统初始化的主要工作之一
- 在开启中断和启动第一个应用之前执行完毕
- 实现对不同异常(中断)的处理函数
- 处理应用程序出错的情况：如除零、缺页
- 一类特殊的同步异常：系统调用（我们会在下一节详细介绍），由应用程序来主动触发
- 处理来自外部设备的中断：如收取网络包、获取键盘输入等
在处理 trap 时使用到的寄存器
相关寄存器的参数内容，请同学们参考 RISC-V 手册等参考资料进行自学。
异常处理函数
异常处理函数在核心态，可以访问所有资源。处理器将异常类型存储在指定寄存器中（例如，cause），表明发生的是哪一种异常。异常处理函数根据异常类型执行不同逻辑。
当异常处理函数完成异常处理后，可以通过以下操作之一转移控制权：
- 回到发生异常时正在执行的指令
- 回到发生异常时的下一条指令
- 结束当前进程
中断和异常的对比
