Linux内核学习笔记：中断与异常

中断分为同步中断与异步中断。同步中断也叫异常是CPU执行特定的指令产生的事件，他打断CPU正常执行的指令而执行设定好的指令。异步中断也叫中断是由CPU外部中断信号产生的，每个CPU都有一个或多个中断引脚，当引脚上出现中断中断信号的时候，CPU就会停止执行当前的指令而去执行特定的代码。在linux中，中断处理至关重要，它影响着整个系统的性能。中断程序运行时，当前进程Current宏无效，所以中断程序是一个单独的内核控制路径，不能够进行进程切换。

因为中断的特殊性，所以中断处理设计就必须考虑以下几点：

（1）中断处理时间尽可能短，这个可以通过一定的方法使得中断分阶段进行。

（2）中断嵌套的允许，这样极大缩短了中断延迟

（3）关中断的尽可能时间短，次数少。

x86系统中使用中断描述符来描述各种中断，中断描述符表是个系统表，首地址存放在idtr寄存器中。中断描述符中装有段选择符以及段内偏移量，这个来确定中断处理程序的地址。

一. 内核初始化中断描述符表

中断描述符表必须在开中断时初始化，初始化这个表，linux有两个阶段。第一个阶段是初步初始化，在中断描述符表中，插入相同的表项，中断描述符表有256相，这个表项指向的中断处理程序，只是保存一些寄存器，然后打印“Unknown interrupt”，然后就退出。第二阶段，linux用有意义的中断处理程序的地址填充表项。x86体系结构中256个中断向量分配如下：

0-19        非屏蔽中断与异常

20-31       保留

32-127      外部中断

128         系统调用异常

129-238     外部中断

......

二. 中断与异常的硬件处理

在中断发生时，CPU硬件首先要完成一定的工作，使得程序计数器能够正确跳转到中断处理程序中。x86体系结构的中断硬件处理如下：

（1） 通过读取中断控制器的IO端口，或得中断号，并且由此中断号在中断描述符表中找到相应的中断描述符。

（2）检查中断的权限。总体的原则是引起中断的程序的特权级别CPL（当前特权级）必须高于低于中断处理程序的特权。

（3）检查是否发生特权级的变化，也就是检查是在内核态发生的中断，还是在用户态发生的中断。如果在用户态发生的中断，内核发生中断CPU肯定切换到了内核态，所以特权级,肯定发生了变化。如果在内核态发生的中断，特权级就没有变。如果是由用户态切换到内核态那么，在ss和esp中还保留这用户态堆栈的地址，所以得用内核态的地址填充。

（4）装载cs,eip地址，值是在中断描述符表中获取的。

三. 同步中断：异常的内核处理

CPU产生的异常，内核都当作错误处理。但是有一个异常是linux利用CPU高效管理硬件的前提，那就是缺页异常，注意，同步中断当前进程有效。异常处理程序一般分为三部分：

（1） 在内核堆栈中保存大多数CPU寄存器的内容

这部分是用汇编程序编写的，首先将C中断处理函数的地址压入堆栈，然后保存8个C语言可能用到的寄存器的值到内核栈中，把栈中esp+36处的硬件出错码拷贝到edx寄存器中，并在这个位置填-1（硬件出错吗是），然后把esp+32出的C中断处理程序地址装入edi，在这个位置写入es的值。把栈顶地址保存在eax寄存器中。然后调用在edi中高级C函数

（2） 调用高级C语言处理异常

大部分的C异常处理程序都是把硬件出错码保存在当前进程的进程描述符中。然后给进程发送一个信号。异常处理程序还检查发生异常是在用户态或者内核态，如果是在内核态，那么说明内核有BUG，调用die函数，使得系统产生oops,并杀死当前进程。

（3） 从异常返回