Linux內核學習筆記：中斷與異常
[日期：2012-03-31] 來源：Linux社區 作者：yaozhenguo2006
中斷分爲同步中斷與異步中斷。同步中斷也叫異常是CPU執行特定的指令產生的事件，他打斷CPU正常執行的指令而執行設定好的指令。異步中斷也叫中斷是由CPU外部中斷信號產生的，每個CPU都有一個或多箇中斷引腳，當引腳上出現中斷中斷信號的時候，CPU就會停止執行當前的指令而去執行特定的代碼。在linux中，中斷處理至關重要，它影響着整個系統的性能。中斷程序運行時，當前進程Current宏無效，所以中斷程序是一個單獨的內核控制路徑，不能夠進行進程切換。
相關閱讀：Linux內核學習筆記：中斷的下半部分 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-03/57752.htm
因爲中斷的特殊性，所以中斷處理設計就必須考慮以下幾點：
（1）中斷處理時間儘可能短，這個可以通過一定的方法使得中斷分階段進行。
（2）中斷嵌套的允許，這樣極大縮短了中斷延遲
（3）關中斷的儘可能時間短，次數少。
x86系統中使用中斷描述符來描述各種中斷，中斷描述符表是個系統表，首地址存放在idtr寄存器中。中斷描述符中裝有段選擇符以及段內偏移量，這個來確定中斷處理程序的地址。
一. 內核初始化中斷描述符表
中斷描述符表必須在開中斷時初始化，初始化這個表，linux有兩個階段。第一個階段是初步初始化，在中斷描述符表中，插入相同的表項，中斷描述符表有256相，這個表項指向的中斷處理程序，只是保存一些寄存器，然後打印“Unknown interrupt”，然後就退出。第二階段，linux用有意義的中斷處理程序的地址填充表項。x86體系結構中256箇中斷向量分配如下：
0-19 非屏蔽中斷與異常
20-31 保留
32-127 外部中斷
128 系統調用異常
129-238 外部中斷
......
二. 中斷與異常的硬件處理
在中斷髮生時，CPU硬件首先要完成一定的工作，使得程序計數器能夠正確跳轉到中斷處理程序中。x86體系結構的中斷硬件處理如下：
（1） 通過讀取中斷控制器的IO端口，或得中斷號，並且由此中斷號在中斷描述符表中找到相應的中斷描述符。
（2）檢查中斷的權限。總體的原則是引起中斷的程序的特權級別CPL（當前特權級）必須高於低於中斷處理程序的特權。
（3）檢查是否發生特權級的變化，也就是檢查是在內核態發生的中斷，還是在用戶態發生的中斷。如果在用戶態發生的中斷，內核發生中斷CPU肯定切換到了內核態，所以特權級,肯定發生了變化。如果在內核態發生的中斷，特權級就沒有變。如果是由用戶態切換到內核態那麼，在ss和esp中還保留這用戶態堆棧的地址，所以得用內核態的地址填充。
（4）裝載cs,eip地址，值是在中斷描述符表中獲取的。
三. 同步中斷：異常的內核處理
CPU產生的異常，內核都當作錯誤處理。但是有一個異常是linux利用CPU高效管理硬件的前提，那就是缺頁異常，注意，同步中斷當前進程有效。異常處理程序一般分爲三部分：
（1） 在內核堆棧中保存大多數CPU寄存器的內容
這部分是用匯編程序編寫的，首先將C中斷處理函數的地址壓入堆棧，然後保存8個C語言可能用到的寄存器的值到內核棧中，把棧中esp+36處的硬件出錯碼拷貝到edx寄存器中，並在這個位置填-1（硬件出錯嗎是），然後把esp+32出的C中斷處理程序地址裝入edi，在這個位置寫入es的值。把棧頂地址保存在eax寄存器中。然後調用在edi中高級C函數
（2） 調用高級C語言處理異常
大部分的C異常處理程序都是把硬件出錯碼保存在當前進程的進程描述符中。然後給進程發送一個信號。異常處理程序還檢查發生異常是在用戶態或者內核態，如果是在內核態，那麼說明內核有BUG，調用die函數，使得系統產生oops,並殺死當前進程。
（3） 從異常返回
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四. 異步中斷
異步中斷，當前進程是無效的。異步中斷分爲：IO中斷，時鐘中斷，處理器之間中斷。下面重點學習linux的IO中斷處理。所有中斷處理程序都執行四個相同的工作。
（1）在內核態保存IRQ的只和寄存器的值
（2）應答中斷
（3）執行這個IRQ的所有中斷服務例程。
（4）中斷返回
IRQ基本的數據結構爲irq_desc_t，每一個IRQ都有一個這樣的數據結構。這個數據結構包括：操作可編程中斷控制器的方法，中斷處理程序鏈表首地址，中斷向量的狀態，以及各種鎖。操作可編程中斷控制器的方法用來應答中斷，而action字段是中斷處理程序鏈表首地址，這個鏈表是irqaction數據結構的鏈表。這個數據結構包含有中斷處理程序地址。下面學習中斷髮生時，linux內核處理的過程。
（1）當CPU通過接收到一箇中斷的時候，首先硬件自動處理這個中斷，與異常一樣。
（2）然後跳轉到裝載在中斷描述符表中的通用中斷處理程序，interrupt[n]
這個函數，首先將n-256壓入堆棧，然後跳轉到common_interrupt函數中。在各函數首先保存CPU相關的寄存器，跳轉到do_IRQ函數中。這個函數是中斷處理的主函數。
（3）do_IRQ函數
這個函數應答中斷，然後依次執行irq_desc_t數組中相應的irqaction中的中斷處理函數。然後返回。
五. 從中斷和異常返回
從中斷中返回意味這要恢復被中斷的程序。被中斷的程序有可能是以下幾種：中斷處理程序，可延遲函數，普通進程（包括內核態與用戶態）。如果是前兩種內核控制路徑，在這兩種控制路徑執行時內核是禁止搶佔的。所以考慮的情況簡單。如果中斷的是普通進程或者內核線程。那麼在返回的時候必須考慮以下問題：
（1）掛起的進程切換請求
（2）掛起的信號
（3）進程跟蹤標誌
這些標誌都在進程thread_info結構中的flags中，所以返回代碼必須檢查這些標誌，執行不同的操作。返回代碼有兩個ret_from_intr和ret_from_exception，分別對應着中斷與異常。這兩個函數從本質上做了如下的操作：
首先將當前進程的thread_info描述符地址裝載到ebp寄存器中，判斷壓入棧中的cs和eflags的值，確定被中斷的是內核態或者是用戶態。如果是內核態執行resume_kernel,如果是用戶態執行resume_userspace
（1）恢復到內核態
首先檢查是否允許內核搶佔，從棧中恢復現場，恢復內核程序的執行。如果允許內核搶佔，檢查當前進程的調度標誌，如果需要調度那麼調用調度程序執行進程調度。
（2）恢復到用戶態
這個主要檢查是否有重新調度標誌，如果有調度。還有檢查信號與單步運行標誌，如果設置則執行相應的處理。如果所有標誌都沒設置，直接恢復原來進程的執行。
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