Linux是如何利用陷阱門處理中斷異常的

中斷信號(hào)的作用

由中斷或異常處理程序執(zhí)行的代碼不是一個(gè)進(jìn)程。而是一個(gè)內(nèi)核控制路徑，比一個(gè)進(jìn)程的上下文要少，建立或終止需要的時(shí)間很少。為了應(yīng)答中斷，內(nèi)核需要執(zhí)行的活動(dòng)分為兩部分：上半部分（立即執(zhí)行），下半部分（一個(gè)函數(shù)等待隊(duì)列）

中斷：

中斷分為可屏蔽中斷（清e(cuò)flag寄存器的IF標(biāo)志關(guān)閉中斷）和不可屏蔽中斷。

異常：

當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令時(shí)所探測(cè)到的一個(gè)反常條件所產(chǎn)生的異常。這取決于CPU控制單元產(chǎn)生異常時(shí)保存在內(nèi)核態(tài)堆棧eip寄存器的值：

故障：保存在eip中的值是引起故障的指令地址，當(dāng)異常處理程序終止時(shí)， 會(huì)重新執(zhí)行那條指令。

陷阱：該指令在引起陷阱的指令地址后。只有當(dāng)沒(méi)有必要重新執(zhí)行已執(zhí)行過(guò)的指令時(shí)，才觸發(fā)陷阱。其主要用途是為了調(diào)試程序。

異常結(jié)束：發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，迫使程序異常終止。

編程異常：在編程者發(fā)出請(qǐng)求時(shí)發(fā)生。

中斷和異常向量

每個(gè)中斷和異常是由0~255之間的一個(gè)數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)。因?yàn)橐恍┪粗颍?a href="http://ttokpm.com/tags/intel/" target="_blank">Intel把這個(gè)8位的無(wú)符號(hào)整數(shù)叫做一個(gè)向量。不可屏蔽中斷的向量和異常的向量都是固定的（0~31），而可屏蔽中斷的向量（32~47 IRQ）可以通過(guò)對(duì)中斷控制器的編程來(lái)改變。

其中，48~255的向量用來(lái)標(biāo)識(shí)軟中斷（即編程異常）。Linux只用了一個(gè)，即128，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)用戶態(tài)下的進(jìn)程執(zhí)行一條int 0x80匯編指令時(shí)，CPU切換到內(nèi)核態(tài)，并開(kāi)始執(zhí)行system_call()函數(shù)。

IRQ和中斷

每個(gè)能夠發(fā)出中斷請(qǐng)求的硬件設(shè)備控制器都有一個(gè)指派為IRQ（Interrupt ReQuest）的輸出線。所有現(xiàn)有的IRQ線都與一個(gè)叫做中斷控制器的硬件電路的輸入引腳相連。

硬件設(shè)備控制器發(fā)出信號(hào)給中斷控制器，中斷控制器接受信號(hào)后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)向量，CPU可以讀這個(gè)向量并確認(rèn)后，清INTR線。

IRQ按順序編號(hào)，與向量之間的映射可以通過(guò)向中斷控制器端口發(fā)布合適的指令來(lái)修改。IRQ線可以被復(fù)用，也可以被啟用/禁用，禁用時(shí)，eflags寄存器的IF標(biāo)志被清除。

中斷描述符表

中斷描述符表（IDT）是一個(gè)系統(tǒng)表，它與每一個(gè)中斷或異常向量相聯(lián)系，每一個(gè)向量（8字節(jié)）有相應(yīng)的中斷或異常處理程序的入口地址。在內(nèi)核允許中斷發(fā)生前，必須適當(dāng)?shù)爻跏蓟疘DT。

表中每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷或異常向量，，idtr寄存器允許IDT位于內(nèi)存任何地方，它指定了IDT的物理基地址及其限制。

IDT包含了三種類型的描述符，任務(wù)門，中斷門，陷阱門。其中，中斷門包含了段選擇符和一個(gè)中斷或異常處理程序的段內(nèi)偏移量。當(dāng)控制器轉(zhuǎn)移到合適的段時(shí)，處理器清IF標(biāo)志，從而關(guān)閉接下來(lái)會(huì)發(fā)生的可屏蔽中斷。

Linux利用中斷門處理中斷，利用陷阱門處理異常。

那么怎么處理中斷或異常呢？

中斷或異常向量i----->IDTR寄存器找到IDT表第i項(xiàng)------>從gdtr寄存器獲得GDT基地址并利用IDT表中的段選擇符和偏移量查找中斷或異常處理程序所在的段的基地址------->安全檢查（CPL==DPL）

中斷和異常處理程序的嵌套執(zhí)行

當(dāng)CPU正在執(zhí)行一個(gè)與中斷有關(guān)的內(nèi)核控制路徑時(shí)，Linux的設(shè)計(jì)不允許發(fā)生進(jìn)程切換。但是，這樣的內(nèi)核控制路徑可以隨意的嵌套，即一個(gè)中斷處理程序可以由另一個(gè)中斷處理程序進(jìn)行中斷，如此等等。當(dāng)然，異常處理程序也可以被推遲。

初始化中斷描述符表

首先，在初始化前，需要將IDT表的初始地址裝到idtr寄存器，并初始化表中的每一項(xiàng)，在Linux中，沒(méi)有任務(wù)門一說(shuō)，倒有叫做系統(tǒng)門。IDT通常會(huì)被初始化兩次，BIOS例程位第一次。

最后幾個(gè)問(wèn)題

內(nèi)核控制路徑并發(fā)執(zhí)行的數(shù)量：如果僅僅只有一個(gè)，那么CPU必須切換到用戶態(tài)。

激活的，等待被執(zhí)行的下半部分：如果有一些，必須執(zhí)行它們。

如果有任何請(qǐng)求，內(nèi)核就必須執(zhí)行進(jìn)程調(diào)度；否則，把控制權(quán)還給當(dāng)前進(jìn)程。

如果信號(hào)已經(jīng)發(fā)送到當(dāng)前進(jìn)程，就必須處理它。


審核編輯：劉清