Прерывания и исключения являются условиями операционной системы, отвлекающими процессор на выполнение кода, находящегося за пределами нормального потока управления.
Они могут быть обнаружены либо аппаратными, либо программными средствами. Термин системное прерывание относится к механизму процессора, предназначенному для захвата выполняемого потока при возникновении исключения или прерывания и для передачи управления в определенное место в операционной системе.
В Windows процессор передает управление обработчику системного прерывания, который является функцией, характерной для того или иного прерывания или исключения. На рисунке проиллюстрированы некоторые условия активации обработчиков системных прерываний.
Ядро различает прерывания и исключения следующим образом. Прерывание является асинхронным событием (которое может произойти в любое время), не связанным с текущей задачей процессора. Прерывания генерируются, главным образом, устройствами ввода-вывода, процессорными часами или таймерами, и они могут быть разрешены (включены) или запрещены (выключены).
Исключение, напротив, является синхронным условием, которое обычно возникает в результате выполнения конкретной инструкции. (Аварийные завершения работы, например, из-за машинного сбоя, обычно не связаны с выполнением инструкции.)
Повторение исключений может быть вызвано повторным запуском программы с теми же данными и при тех же условиях. В качестве примеров исключений можно привести нарушения доступа к памяти, определенные инструкции отладки и ошибки деления на нуль. Ядро также считает исключениями вызовы системных служб (хотя технически они являются системными прерываниями).
Исключения и прерывания могут генерироваться как оборудованием, так и программами. Например, причиной исключения, связанного с ошибкой шины, является оборудование, а исключение, связанное с делением на нуль, является результатом программной ошибки. Точно так же прерывание может генерироваться устройством ввода-вывода, или же программное прерывание может быть выдано самим ядром.
При генерации аппаратного исключения или прерывания процессор записывает довольно большой объем информации о состоянии машины в стек ядра того потока, который был прерван, для возвращения к нужной точке потока управления и продолжения выполнения, как будто ничего не случилось.
Если поток выполнялся в пользовательском режиме, Windows переключается на стек потоков режима ядра. Затем Windows создает в стеке ядра фрейм системного прерывания прерванного потока, в котором она сохраняет состояние выполнения потока. Фрейм системного прерывания является подмножеством полного контекста потока, и его определение можно увидеть, набрав в отладчике ядра команду dtnt!_ktrap_frame.
Ядро обрабатывает программные прерывания либо как часть обработки аппаратных прерываний, либо одновременно с ними, когда поток вызывает функции ядра, относящиеся к программному прерыванию.
В большинстве случаев ядро устанавливает внешние функции обработки системных прерываний, которые выполняют общие задачи их обработки до и после передачи управления другим функциям, выставившим системное прерывание. Например, если ситуация была вызвана прерыванием от какого-нибудь устройства, находящийся в ядре обработчик аппаратных системных прерываний передает управление процедуре обработки прерывания (Interrupt service routine, ISR), которую драйвер устройства предоставил для устройства, вызвавшего прерывание.
Если ситуация создалась из-за вызова системной службы, общий обработчик системных прерываний, связанных с системными службами, передает управление конкретной функции системной службы в исполняющей системе.
Ядро также устанавливает обработчики системных прерываний для неожиданных или необрабатываемых им прерываний. Эти обработчики системных прерываний обычно выполняют системную функцию KeBugCheckEx, останавливающую компьютер, когда ядро обнаруживает проблемное или некорректное поведение, которое, если его не предотвратить, может привести к повреждению данных.