linux内核-X86CPU对中断的硬件支持

本博客不讨论严格意义上的中断响应全过程（比如说，怎样获得中断向量），而是着重讨论CPU在响应中断时，即在得到了中断向量以后，怎样进入相应的中断服务程序的过程。这是从操作系统的角度需要关心的问题。Intel x86 CPU支持256个不同的中断向量，这一点至今未变。可是，早期x86 CPU的中断响应机制非常原始、非常简单的。在实地址模式中，CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表。表中的每一个表项占四个字节，由两个字节的段地址和两个字节的位移组成。这样构成的地址便是相应中断服务程序的入口地址。这与16位实地址模式中的寻址方式也是一致的。但是，在这样的机制上是不能构筑现代意义的操作系统的，即使把16位寻址改成32位寻址，即使试下你了页式存储管理，也还是无济于事。原因在于，这个机制中并没有提供空间切换，或者说运行模式切换的手段。为了理解这一点，让我们来看看其他的CPU是怎也做的。读者也许知道，早期的UNIX是在PDP-11上实现的。PDP-11的CPU中有一个与x86的FLAGS寄存器相类似的控制状态寄存器，称为PSW（处理器状态字）。PSW中有一个位段决定了CPU的当前运行优先级和模式（系统或用户）。在用户程序中是不能通过直接修改PSW来达到调高优先级的目的的。在PDP-11的中断向量表中，每个表项由两部分组成，一部分是相应中断服务程序的入口地址，另一部分就是当CPU进入中断服务程序后的PSW。当然，中断向量表的内容只有当CPU处于系统模式时才能改变。当中断发生时，CPU从向量表中将PSW装入其控制状态寄存器，而将中断服务程序的入口地址装入程序计算器，从而达到既转入了相应的中断服务程序，又从一种运行模式切换到另一种运行模式（或优先级别）的双重目的。至于原来的PSW则随中断返回地址一起被压入堆栈，以便CPU从中断服务程序返回时能回到原来的运行模式。这样，就很自然地实现了运行状态的切换。CPU平时处于用户状态，无论是因为外部中断还是系统调用（由软件产生的中断），或是某种异常，都会通过中断向量表进入系统状态，执行完中断服务程序后返回时便又恢复原状，回到用户状态。相比之下，我们可以清楚地看到，x86实地址模式下的中断响应过程所缺少的就是类似于PDP-11对PSW的处理。

因此，Intel在实现保护模式时，对CPU的中断响应机制作了大幅度的修改。

首先，中断向量表中的表项从单纯的入口地址改成了类似于PSW加入口地址并且更为复杂的描述项，称为门（gate），意思是当中断发生时必须先通过这些门，才能进入相应的服务程序。但是，这样的门并不光是为中断而设的，只要想切换CPU的运行状态，即其优先级别，例如从用户的3级别进入系统的0级别，就都要通过一道门。而从用户态进入系统态的途径也并不只限于中断（或异常，或陷阱），还可以通过子程序调用指令CALL和转移指令JMP来达到目的。而且，当中断发生时不但可以切换CPU的运行状态并转入中断服务程序，还可以安排进行一次任务切换（所谓上下文切换），立即切换到另一个进程。因此在操作系统中可以设立一个中断服务程序（任务），每当中断发生时就切换到该进程。

按不同的用途和目的，CPU中一共有四种门，即任务门（task gate）、中断门（interrupt gate）、陷阱门（trap gate）以及调用门（call gate）。其中除任务门外其他三种门的结构基本相同，不过调用门并不是与中断向量表相联系的。

先看任务门，其大小为64位，结构如下图所示：

TSS段选择码的作用和段寄存器CS、DS等相似，通过GDT或LDT指向特殊的系统段中的一种，称为任务状态段（task state segment）TSS。TSS实际上是一个用来保存任务运行现场的数据结构，其中包括CPU中所有与具体进程有关的寄存器的内容（包含页面目录指针CR3），还包括了三个堆栈指针。中断发生时，CPU在中断向量表中找到相应的表项。如果此表项时一个任务门，并且通过了优先级别的检查，CPU就会将当前任务的运行现场保存在相应的TSS中，并将任务门所指向的TSS作为当前任务，将其内容装入CPU中的各个寄存器，从而完成了一次任务的切换。为此目的，CPU中又增设了一个任务寄存器TR，用来指向当前任务的TSS。在linux内核中，一个任务就是一个进程，但是进程的控制块，即task_struct结构中需要存放更多的信息。所以，从这个意义上讲，linux的进程又并不完全是Intel设计意图中的任务。读者后面就会看到，linux内核并不采用任务门作为进程切换的手段。通过任务门切换到一个新的任务并不是唯一的途径，例如在程序中也可以用CALL指令或JMP指令通过调用门达到同样的目的。DPL位段的作用后面还要讨论。

除任务门外，其余三种们的结构基本相同，每个门的大小也都是64位，见下图：

 三种门之间的不同之处在于3位的类型码。中断门的类型码是110，陷阱门的类型码是111，而调用门的类型码是100。与任务门相比，不同之处主要在于：在任务门中不需要使用段内位移，因为任务门并不指向某一个子程序的入口，TSS本身是作为一个段来对待的，而中断门、陷阱门和调用门则都要指向一个子程序，所以必须结合使用段选择码和段内位移。此外，任务门中相对于D标志位的位置上永远是0。

中断门和陷阱门在使用上的区别不在于中断时外部产生的或是CPU本身产生的，而是在于通过中断门进入中断服务程序时CPU会自动将中断关闭，也就是将CPU中EFLAGS寄存器的IF标志位清成0，以防嵌套中断的发生；而在通过陷阱门进入服务程序时则维持IF标志位不变。这就是中断门和陷阱门的唯一区别。

不管是什么门，都通过段选择码指向一个存储段。段选择码的作用于普通的段寄存器一样。我们在前面内存管理讲过，在保护模式下段寄存器的内容并不直接指向一个段的起始地址，而是指向由GDTR或LDTR决定的某个段描述表中的一个表项，所以才又称为段选择码，至于到底是由GDTR还是LDTR所指向的段描述表，则取决于段选择码中的一个TI标志位。在linux内核中，实际上只使用全局描述表GDT，而局部段描述表LDT只是在特殊应用中（主要是WINE）才使用。对于中断门、陷阱门和调用门来说，段描述表中的相应表项显然应该是一个代码度描述项。而任务门所指向的描述项，则是专门为TSS而设的TSS描述项。TSS描述项的结构与我们在内存管理所讲的基本上是相同的，但是bit44的s标志位为0，表示不是一般的代码段或数据段。

每个段描述项中都有一个DPL位段，即描述项优先级别位段。当CPU通过中断门找到一个代码段描述项，并进而转入相应的服务程序时，就把整个代码段描述项装入CPU中，而描述项的DPL就变成CPU的当前运行级别，称为CPL。这与我们在前面所说的PDP-11在中断时从向量表中同时装入PSW和服务程序入口地址是一致的。可是，在中断门中也有一个DPL，那是干什么用的呢？这就是要讲到i386的保护模式中对运行和访问级别进行检查对比的机制了。

Intel在i386CPU中实现了一套可谓是复杂的出奇的优先级别检验机制。我们在这里只根据linux内核的实现介绍其中一部分。由于linux内核避开了这套机制中最复杂的部分，例如不使用任务门，基本上也不使用调用门（不过为了兼容性的要求趋势支持通过调用门来进入系统调用，但不是主流），再说这里我们只关心对代码段的访问，所以剩下的部分就不太复杂了。

当通过一条INT指令进入一个中断服务程序时，在指令中给出一个中断向量。CPU先根据该向量与CPU的CPL相比，CPL必须小于DPL，也就是优先级别不低于DPL，才能穿过这扇门，不过如果中断是由外部产生或者时因CPU异常而产生的话，那就免去了这一层检验。穿过了中断门之后，还要进一步将目标代码段描述项中的DPL与CPL比较，目标段的DPL必须小于或等于CPL。也就是说，通过中断门时只允许保持或者提升CPU的运行级别，而不允许降低其运行级别。这两个环节中的任何一个失败都会产生一次全面保护异常（general protection exception）。

进入中断服务程序时，CPU要将当前EFLAGS寄存器的内容以及返回地址压入堆栈，返回地址是由段寄存器CS的内容和取指令指针EIP的内容共同组成的。如果中断是由异常引起的，则还要将一个表示异常原因的出错代码也压入堆栈。进一步，如果中断服务程序的运行级别，也就是目标代码段的DPL，与中断发生时的CPL不同，那就要引起更换堆栈。前面提到过，TSS结构中除所有常规的寄存器（包括当前的SS和ESP）外，还有三个额外的堆栈指针（SS和ESP）。这三个额外的堆栈指针分别用于当CPU在目标代码段中的运行级别为0，1以及2时。所以，CPU根据寄存器TR的内容找到当前TSS结构，并根据目标代码段的DPL，从这TSS结构中取出新的堆栈指针（SS和ESP），并装入其堆栈寄存器SS和堆栈指针（寄存器）ESP，达到更换堆栈的目的。在这种情况下，CPU不但要将EFLAGS、返回地址以及出错代码压入堆栈，还要先将原来的堆栈指针也压入堆栈（新堆栈）。下面的示意图也许有助于理解。

具体到linux内核。当中断发生在用户状态、也就是CPU在用户空间中运行时，由于用户态的运行级别为3，而在内核中的中断服务程序的运行级别为0，所以会引起堆栈的更换。也就是说，从用户堆栈切换到系统堆栈。而当中断发生在系统空间时，也就是CPU在内核中运行时，则不会更换堆栈。

最后，在保护模式下，中断向量表在内核中的位置也不再限于从地址0开始的地方，而是像GDT和LDT那样可以放在内存中的任何地方。为此目的，在CPU中又增设了一个寄存器IDTR，指向当前中断向量表LDT，或者说当前中段描述表。

下面的示意图说明了i386保护模式下的中断机制在采用中断门或陷阱门时的结构。

实际的i386系统结构中的有关机制比上面讲的还要复杂，我们略去了其中与linux内核实现无关的内容。这也从另一个角度说明，对于像linux这样的操作系统（事实证明功能最强，并且最稳定的系统之一）来说，i386系统结构中的许多内容时不必要的，甚至是画蛇添足的，难怪有些学者批评Intel将i386的系统结构过于复杂化了。当然，也有可能将来会出现一些新的技术， 从而证明Intel是有远见的，我们拭目以待。如果说，在能达到相同目标的前提下简单就是美，那么i386系统结构显然是不美的。而相比之下，linux内核的实现倒确实是一种美。当然，不管怎么说，i386的系统结构能够满足像linux这样的现代操作系统的需要，却是毫无疑义的。