Linux 对异常和中断处理

前言：在上一篇文章中，我们大致说了说 IA-32 下异常和中断的处理过程，这都是在硬件层面。在这一篇博客中继续来说说软件方面（操作系统）对异常和中断处理

Linux 下的门描述符

还还还....记得这个图吗？

在 IA-32 架构下，硬件一共提供三种门描述符：

• 中断门：处理中断
• 陷阱门：处理异常
• 任务门

在 Linux 操作系统中一共有五种门描述符：

• 中断门：DPL = 0，TYPE = 1110B。激活所有中断

• 陷阱门：DPL = 0,TYPE = 1111B。激活所有内部异常，并阻止用户程序使用 INT n（n≠128 或 3）指令模拟非法异常来陷入内核态运行

• 任务门：DPL = 0，TYPE = 0101B。激活 8 号中断（双重故障）

• 系统中断门：DPL = 3，TYPE = 1110B。激活 3 号中断（即调试断点），对应指令 int 3。因 DPL 为 3，CPL≤DPL，故用户态下可使用 int 3 指令

• 系统门：DPL = 3，TYPE = 1111B。激活 4、5 和 128 三个陷阱异常，分别对应指令 into、bound 和 int $0x80 三条指令。因 DPL 为 3，CPL≤DPL，故在用户态下可使用这三条指令

我们主要还是关注前两个门（其他门我也不知道。。。囧）

在开始叙述「Linux 对异常和中断处理」之前我们得知道：

• 在 Linux 中，中断门处理中断。陷阱门处理异常

• 异常和中断对应的处理程序都属于内核代码段，所以，所有中断和异常的段选择符（0x60）都指向 GDT 的内核段描述符

• 通过中断门进入到一个中断服务程序时，CPU 会清除 EFLAGS 中的 IF 标志位。意思是关中断。但是通过陷阱门进入到异常处理程序的时候，不会有关中断。也就是说：外部中断不支持嵌套处理，内部异常支持嵌套处理，原因是，内部异常程序也是有可能发生越界、越权、缺页的

接下来，我们开始分别说：Linux 对异常和中断的处理

Linux 对异常的处理

所有异常处理程序的结构是一致的，都可划分成以下三个部分：

• 准备阶段

  在内核栈保存通用寄存器内容（称为现场信息），这部分大多用汇编语言程序实现

• 处理阶段

  采用 C 函数进行具体处理。函数名由 do_ 前缀和处理程序名组成，如 do_overflow 为溢出处理函数。大部分函数的处理方式：保存硬件出错码（如果有的话）和异常类型号，然后，向当前进程发送一个信号。

  当前进程接受到信号后，若有对应信号处理程序，则转信号处理程序执行；若没有，则调用内核 abort 例 程，终止当前进程

• 恢复阶段

  恢复保存在内核栈中的各个寄存器的内容，切换到用户态并返回到当前进程的断点处继续执行

举个例子

#include 
#include 
#include 

void handle_div0(int sig) {
    printf("看看我抓到了什么：%d\n", sig);
    exit(0);   
}

int main() {

    signal(SIGFPE, handle_div0);
    int i = 0;
    int a = 10;

    int c = a / i;

    return 0;
}

除以 0 后，由 handle_div0 执行

Linux 对中断的处理

对于大部分异常，Linux 只是给引起异常的当前进程发信号就结束异常处理，具体的异常处理转到信号处理程序进行。

对于中断，因为中断事件的发生与正在执行的当前进程很可能没有关系，所以给进程发信号屁用没有

Linux 有三种中断类型：

• I/O 中断：I/O 外设的中断请求
• 时间中断：某时钟产生的中断请求，告知固定时间间隔到了
• 处理器中断：多处理器系统中其他处理器发出的中断请求

我们只说第一种：I/O 中断

I/O 中断：每个能发中断请求的外设控制器都有一条 IRQ 线，所有的 IRQ 线连接到一个可编程中断控制器 PIC（Programmable Interpreter Controller）对应的 IRQ 引脚上面，PIC 中每个 IRQ 引脚都有一个编号。如 IRQ0，IRQ1，...， IRQi 将与 IRQ 关联的中断类型号设定为 32+i

（从底层的角度说说 I/O）

• 看右下角，IRQ（Interpreter ReQuest）就是来自各个外设，在没有屏蔽的情况下给 CPU 发中断请求（INTR）

• CPU 在执行下一条指令之前，如果检测到了中断请求，CPU 要去查询是哪个外设发出的中断（到左下角）

• 如果有多个外设发出中断请求，那么，经过中断判优电路的时候就会选择一个优先级最大的设备

再总结一下：Linux 对中断的处理

PIC 需对所有外设来的 IRQ 请求按优先级排队，若至少有一个 IRQ 线有请求且未被屏蔽，则 PIC 向 CPU 的 INTR 引脚发中断请求

CPU 每执行完一条指令都会查询 INTR，若发现有中断请求，则进入中断响应过程（关中断、保护断点和现场、发中断查询信号），调出中断服务程序执行。

所有中断服务程序的结构类似，都划分为以下三个阶段：

• 准备阶段

  在内核栈中保存各通用寄存器的内容（称为现场信息）以及所请求 IRQi 的值等，并给 PIC 回送应答信息，允许其发送新的中断请求信号

• 处理阶段

  执行 IRQi 对应的中断服务例程 ISR （Interrupt Server Routine）。中断类型号为 32 + i

• 恢复阶段

  恢复保存在内核栈中的各个寄存器的内容，切换到用户态并返回到当前进程的逻辑控制流的断点处继续执行

（写博客其实很累啊。。。）