《深入理解Linux内核》笔记3 - 中断和异常

中断和异常的区别：

• 同步中断（称为异常），由CPU控制单元产生，只有在执行某一条指令后才会触发异常。
• 异步中断，由外部硬件产生，如硬盘、网络等。

产生异常的原因以下两种：

• 程序错误，这种情况下内核通常发送信号进程。
• 需要内核处理的异常条件，如缺页、系统调用（int和sysenter指令）。

中断信号的作用⌗

中断和异常⌗

中断（interrupt）：

• 可屏蔽中断（maskable interrupt），控制单元可以忽略中断，I/O设备产生的中断请求都可屏蔽。
• 不可屏蔽中断（nonmaskable interrupt， NMI），危急事件（例如硬件故障）引起的中断。

异常（expception）：

• 处理器探测异常（processor-detected exception），CPU执行指令时检测到的异常。
  • 故障（fault），可以纠正，纠正后重新执行指令。例如page fault。
  • 陷阱（trap），主要为了调试程序，当内核把控制权返回给应用程序后，程序继续执行下一条指令。
  • 终止（abort），严重错误，例如控制单元故障，强制终止程序。
• 编程异常（programmed exception），在应用程序发出请求时发生，由int或int3指令触发。或者由into指令检查溢出或bound指令检查边界触发。控制单元把programmed exception作为trap处理，也叫做软件中断（software interrupt）。

IRQ和中断⌗

每个能够发出的中断请求的硬件设备控制器都有一条名为IRQ（interrupt request）的输出线，与可编程中断控制器（programmable interrupt controller，PIC，现在已经被淘汰）的输入引脚相连。

IRQ线从0开始编号，例如第一条线表示为IRQ0，默认关联到中断向量的第n+32项。

可以有选择地禁止或激活每条IRQ线，禁止的中断不会丢失。

有选择的激活、禁止IRQ线不同于全局屏蔽、非屏蔽中断，当eflags寄存器的IF标志清0时，所有的中断都会被屏蔽，当eflags寄存器的IF标志清1时，所有的中断都会被激活。用cli清除标志，sti设置标志。

高级可编程中断控制器 APIC⌗

为了支持SMP体系结构，每个CPU有一个本地APIC，所有本地APIC都连接到一个外部的I/O APIC，形成一个多APIC系统。支持中断分发和处理器间中断（interprocessor interrupt）。

详细介绍可以看CSDN这篇文章和知乎这篇文章

异常⌗

中断向量的0~31项预留给了处理器硬件异常，已经定义的有大约20项。

完整的定义可以看下面的trap_init函数。

中断描述符表 Interrupt descriptor table IDT⌗

• IDT由256项组成，其中每项都是一个中断描述符，8字节，总共 8*256=2048 字节。
• IDT可以位于内存中的任何地方。
• IDT的基址和最大长度存在idtr寄存器中。
• 在允许中断前，必须用lidt指令初始化idtr。

idt_table定义如下：

// include/asm/processor.h
struct desc_struct {
	unsigned long a,b;
};

// arch/i386/kernel/traps.c
struct desc_struct idt_table[256] __attribute__((__section__(".data.idt"))) = { {0, 0}, };  // 长度为256的IDT表

中断描述符定义如下图所示：

• 每个描述符占8字节，64位。
• 40~43位表示描述符gate的类型。
• 2位DPL表示特权级，通常都为0，表示内核态。

Intel提供3种类型的中断描述符，分为3种gate：

• task gate：当中断发生时，必须取代当前进程的那个进程的TSS segment selector放在task gate中。这个gate用来处理Double Fault异常。
• interrupt gate：包含16位segment selector和32位offset，当控制权转移到一个合适的段时，处理器清IF标志关中断。这个gate用来处理中断。
• trap gate：和interrupt gate类似，区别是不修改IF标志。这个gate用来处理异常。

中断和异常处理程序的嵌套执行⌗

2种处理程序：

• 异常处理程序
• 中断处理程序

• 每个中断或异常都会引起一个内核控制路径（kernel control flow），内核控制路径代表当前进程在内核态执行单独的指令序列。至于为什么中断一定要在内核态处理（interrupt gate 中断门），可能是出于安全的考量，可以看知乎上的这篇回答，理论上可以将中断描述符的DPL设置成3用户态，但是没有操作系统这么做。
• 内核控制路径可以任意嵌套，一个中断处理程序可以被另一个中断处理程序打断。所以当嵌套层数>1时，中断处理程序的最后一部分指令不能使当前进程返回用户态。
• 允许内核控制路径嵌套的代价，中断处理程序必须永不阻塞（不能发生进程切换）。
• 大多数异常只在用户态发生，异常要么由编程错误引起，要么由调试程序触发。
• 内核态能触发的唯一异常是缺页异常page fault。缺页异常处理程序挂起当前进程，从不进一步引发异常。，所以和异常相关的内核处理路径最多会有两个叠在一起（系统调用和缺页异常）。
• 中断处理程序和当前运行的进程无关。
• 中断处理程序可以抢占其他中断处理程序，也可以抢占异常处理程序。异常处理程序不能抢占中断处理程序。
• 中断处理程序不能执行导致缺页的操作。
• 多处理器系统上，多个内核控制路径可以并发执行。

初始化IDT⌗

Linux将异常和中断分为5种gate，不同于Intel的3种：

• interrupt gate，中断门，Linux系统所有中断都通过中断门来处理，限制在内核态，DPL字段为0。

void set_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{
	_set_gate(idt_table+n,14,0,addr,__KERNEL_CS);  // 0表示内核态
}
// 例子
set_intr_gate(1,&debug);
set_intr_gate(2,&nmi);

• system interrupt gate，系统中断门，用户态进程可以访问的Intel中断门，，DPL字段为3。用于注册中断向量3的处理函数int3，由汇编指令int3触发。

static inline void set_system_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{
	_set_gate(idt_table+n, 14, 3, addr, __KERNEL_CS);  // 3表示用户态
}
// 例子
set_system_intr_gate(3, &int3);

• system gate，系统门，用户态可以访问的陷阱门，DPL字段为3。用来注册中断向量4（into指令）、5（bound指令）、128（int $0x80指令，系统调用）的处理函数。

static void __init set_system_gate(unsigned int n, void *addr)
{
	_set_gate(idt_table+n,15,3,addr,__KERNEL_CS);
}
// 例子
set_system_gate(4,&overflow);
set_system_gate(5,&bounds);
set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);

• trap gate，陷阱门，只有内核态可以访问，DPL字段为0。大部分的Linux异常都注册位陷阱门。

static void __init set_trap_gate(unsigned int n, void *addr)
{
	_set_gate(idt_table+n,15,0,addr,__KERNEL_CS);
}
// 例子
set_trap_gate(0,&divide_error);

• task gate，任务门，只有内核态可以访问，，DPL字段为0。用来注册Double fault异常的处理函数。

static void __init set_task_gate(unsigned int n, unsigned int gdt_entry)
{
	_set_gate(idt_table+n,5,0,0,(gdt_entry<<3));
}
// 例子
set_task_gate(8,GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);

异常处理⌗

略

中断处理⌗

中断向量⌗

中断和异常由8 bit整数表示，这个整数称为中断向量，范围0~255。

trap_init函数：

// arch/i386/kernel/traps.c
void __init trap_init(void)
{
	set_trap_gate(0,&divide_error);
	set_intr_gate(1,&debug);
	set_intr_gate(2,&nmi);
	set_system_intr_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */
	set_system_gate(4,&overflow);
	set_system_gate(5,&bounds);
	set_trap_gate(6,&invalid_op);
	set_trap_gate(7,&device_not_available);
	set_task_gate(8,GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
	set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
	set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
	set_trap_gate(11,&segment_not_present);
	set_trap_gate(12,&stack_segment);
	set_trap_gate(13,&general_protection);
	set_intr_gate(14,&page_fault);
	set_trap_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
	set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
	set_trap_gate(17,&alignment_check);
	set_trap_gate(18,&machine_check);
	set_trap_gate(19,&simd_coprocessor_error);
	set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);

	cpu_init();
	trap_init_hook();
}

参考：

• https://blog.csdn.net/qq_39376747/article/details/113736525?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165011655316780264030832%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=165011655316780264030832&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-1-113736525.142^v9^pc_search_result_cache,157^v4^new_style&utm_term=%E9%AB%98%E7%BA%A7%E5%8F%AF%E7%BC%96%E7%A8%8B%E4%B8%AD%E6%96%AD%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8&spm=1018.2226.3001.4187
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/26464793
• OS Dev: https://wiki.osdev.org/Interrupt_Vector_Table
• https://blog.csdn.net/cwcmcw/article/details/21640363