2020-03-23-Linux内核19-中断描述符表IDT的初始化

layout	title	subtitle	date	author	header-img	catalog	tags
post	Linux内核19-中断描述符表IDT的初始化	内核使用IDT表管理所有的中断和异常，那么它是如何初始化的呢？	2020-03-23	Tupelo Shen	img/post-bg-unix-linux.jpg	true	Linux Linux内核 中断 异常 IDT

至此，我们已经理解了X86架构如何在硬件层面如何处理中断和异常，那么接下来，我们看看Linux内核管理这些中断和异常。

同所有的设备一样，我们在使能硬件之前，必须先初始化其相关的数据结构。而Linux使用中断描述符表IDT记录管理所有的中断和异常。那么，首先，Linux内核应该把IDT的起始地址写入idtr寄存器，然后初始化所有的表项。这一步在初始化系统时完成。

因为汇编指令int允许用户进程发送任意编号的中断（0-255）。为此，IDT的初始化必须考虑阻止由用户进程int指令引发的非法中断和异常。可以通过将中断描述符表中的DPL域设为0来实现。如果用户进程试图发送非法中断信号，CPU控制单元比较CPL和DPL的值，发出常规保护的异常。

但是，大部分时候，用户态进程必须能够发送可编程异常。那么把相应的中断或陷阱门描述符的DPL域设为3即可。比如系统调用。

让我们看看Linux如何实现这种策略。

中断、陷阱和系统门

在之前的文章中，我们已经介绍过，Intel提供了三种类型的中断描述符：任务，中断和陷阱门描述符。Linux的分类有些不同，它们如下所示：

1. 中断门

   和Intel的中断门相同。所有的用户进程不能访问（该门的DPL设为0）。所有Linux的中断处理程序都是通过中断门激活的，也就是说只能在内核态访问。

2. 系统门

   属于Intel的陷阱门，可以被用户态进程访问（该门的DPL设为3）。三个Linux异常处理程序对应的中断号分别是4、5和128，分别使用into、bound和int $0x80三条汇编指令发出对应的中断信号。

3. 系统中断门

   属于Intel的中断门，用户态进程可以访问（该门的DPL域设为3）。中断号为3的异常处理程序通过系统中断门激活，可以使用在用户态使用int3指令实现。

4. 陷阱门

   属于Intel陷阱门，不能被用户态程序访问（该门的DPL设为0）。用来访问大部分的异常处理程序。

5. 任务门

   属于Intel任务门，用户态进程不能访问（该门的DPL设为0）。专门访问处理Double fault异常的处理程序。

对应上面的5种分类，分别有相应的函数可以初始化IDT（这些函数与硬件架构息息相关），如下所示：

• set_intr_gate(n,addr)

  插入中断门。该门内的端选择器设为内核态代码所在的段。Offset被设为addr，就是中断处理程序的地址。DPL域设为0。

• set_system_gate(n,addr)

  插入系统门。其余描述与上面的函数相同。

• set_system_intr_gate(n,addr)

  插入系统中断门。该门内的端选择器设为内核态代码所在的段。Offset被设为addr，就是异常处理程序的地址。DPL域设为3。

• set_trap_gate(n,addr)

  插入陷阱门，DPL被设为3。其余与上面函数相同。

• set_task_gate(n,gdt)

  插入任务门。段选择器设为要执行的函数所在的段。Offset设为0，而DPL设为3。

IDT第一次初始化

其实，IDT被初始化两次。第一次是在BIOS程序中，此时CPU还工作在实模式下。一旦Linux启动，IDT会被搬运到RAM的受保护区域并被第二次初始化，因为Linux不会使用任何BIOS程序。

IDT结构被存储在idt_table表中，包含256项。idt_descr变量存储IDT的大小和它的地址，在系统的初始化阶段，内核用来设置idtr寄存器，专用汇编指令是lidt。

内核初始化的时候，汇编函数setup_idt()用相同的中断门填充idt_table表的所有项，都指向ignore_int()中断处理函数：

setup_idt:
    lea ignore_int, %edx
    movl $(__KERNEL_CS << 16), %eax
    movw %dx, %ax           /*  = 0x0010 = cs */
    movw $0x8e00, %dx       /* 中断门，DPL=0 */
    lea idt_table, %edi     /* 加载idt表的地址到寄存器edi中 */
    mov $256, %ecx
rp_sidt:
    movl %eax, (%edi)       /* 设置中断处理函数 */
    movl %edx, 4(%edi)      /* 设置段描述符 */
    addl $8, %edi           /* 跳转到IDT表的下一项 */
    dec %ecx                /* 自减 */
    jne rp_sidt
    ret

中断处理函数ignore_int()，也是一个汇编语言编写的函数，相当于一个null函数，它执行：

1. 保存一些寄存器到堆栈中。
2. 调用printk()函数打印Unknown interrupt系统消息`。
3. 从堆栈中恢复寄存器的内容。
4. 执行iret指令回到调用处。

正常情况下，此时的中断处理函数ignore_int()是不应该被执行的。如果在console或者log日志中出现Unknown interrupt的消息，说明发生硬件错误或者内核错误。

完成这次IDT表的初始化之后，内核还会进行第二次初始化，用真正的trap或中断处理函数代替刚才的null函数。一旦这两步初始化都完成，IDT表就包含具体的中断、陷阱和系统门，用以控制每个中断请求。

对于IDT表的第二次初始化过程，我们将分别以异常和中断的视角分开阐述。请参考后面的文章。