中断——中断描述符表的定义和初始化（一） （基于3.16-rc4）

1.中断描述符表的定义（arch/x86/kernel/traps.c）

1 gate_desc debug_idt_table[NR_VECTORS] __page_aligned_bss;

定义的描述符表为一个结构体数组，数组元素类型为gate_desc，大小为8B。NR_VECTORS宏为256，即描述符表大小为256*8B。

 

2.idt_descr变量的定义（arch/x86/kernel/head_32.S）

1 idt_descr:

2     .word IDT_ENTRIES*8-1        # idt contains 256 entries

3     .long idt_table

4 

5 # boot GDT descriptor (later on used by CPU#0):

6     .word 0                # 32 bit align gdt_desc.address

这是内核定义的一个全局变量，存放有中断描述符表的大小和首地址。该变量将存放在idtr寄存器中。

 

3.中断描述符初步的初始化（arch/x86/kernel/head_32.S）

 1 __INIT

 2 setup_once:

 3     /*

 4      * Set up a idt with 256 entries pointing to ignore_int,

 5      * interrupt gates. It doesn't actually load idt - that needs

 6      * to be done on each CPU. Interrupts are enabled elsewhere,

 7      * when we can be relatively sure everything is ok.

 8      */

 9 

10     movl $idt_table,%edi

11     movl $early_idt_handlers,%eax12     movl $NUM_EXCEPTION_VECTORS,%ecx

13 1:

14     movl %eax,(%edi)

15     movl %eax,4(%edi)

16     /* interrupt gate, dpl=0, present */

17     movl $(0x8E000000 + __KERNEL_CS),2(%edi)

18     addl $9,%eax

19     addl $8,%edi

20     loop 1b

21 

22     movl $256 - NUM_EXCEPTION_VECTORS,%ecx

23     movl $ignore_int,%edx

24     movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax

25     movw %dx,%ax        /* selector = 0x0010 = cs */

26     movw $0x8E00,%dx    /* interrupt gate - dpl=0, present */

27 2:

28     movl %eax,(%edi)

29     movl %edx,4(%edi)

30     addl $8,%edi

31     loop 2b

32         ...

33         ...

这段代码是对中断描述符表的初步初始化，14-20行是对前32个中断描述符进行初始化，让所有描述符指向early_idt_handlers处理函数。22-31行是对后256-32=224个中断描述符进行初始化，使之指向ignore_int处理函数。省略号以后是对GDT描述符表的初始化，这里不予讨论。

 

4.中断描述符表最终的初始化（arch/x86/kernel/traps.c）

 1 void __init trap_init(void)

 2 {

 3     int i;

 4 

 5 #ifdef CONFIG_EISA

 6     void __iomem *p = early_ioremap(0x0FFFD9, 4);

 7 

 8     if (readl(p) == 'E' + ('I'<<8) + ('S'<<16) + ('A'<<24))

 9         EISA_bus = 1;

10     early_iounmap(p, 4);

11 #endif

12 

13     set_intr_gate(X86_TRAP_DE, divide_error);

14     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_NMI, &nmi, NMI_STACK);

15     /* int4 can be called from all */

16     set_system_intr_gate(X86_TRAP_OF, &overflow);

17     set_intr_gate(X86_TRAP_BR, bounds);

18     set_intr_gate(X86_TRAP_UD, invalid_op);

19     set_intr_gate(X86_TRAP_NM, device_not_available);

20 #ifdef CONFIG_X86_32

21     set_task_gate(X86_TRAP_DF, GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);

22 #else

23     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_DF, &double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);

24 #endif

25     set_intr_gate(X86_TRAP_OLD_MF, coprocessor_segment_overrun);

26     set_intr_gate(X86_TRAP_TS, invalid_TSS);

27     set_intr_gate(X86_TRAP_NP, segment_not_present);

28     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_SS, &stack_segment, STACKFAULT_STACK);

29     set_intr_gate(X86_TRAP_GP, general_protection);

30     set_intr_gate(X86_TRAP_SPURIOUS, spurious_interrupt_bug);

31     set_intr_gate(X86_TRAP_MF, coprocessor_error);

32     set_intr_gate(X86_TRAP_AC, alignment_check);

33 #ifdef CONFIG_X86_MCE

34     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_MC, &machine_check, MCE_STACK);

35 #endif

36     set_intr_gate(X86_TRAP_XF, simd_coprocessor_error);

37 

38     /* Reserve all the builtin and the syscall vector: */

39     for (i = 0; i < FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i++)

40         set_bit(i, used_vectors);

41 

42 #ifdef CONFIG_IA32_EMULATION

43     set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);

44     set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors);

45 #endif

46 

47 #ifdef CONFIG_X86_32

48     set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);FIRST_EXTERNAL_VECTOR

49     set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);

50 #endif

51 

52     /*

53      * Set the IDT descriptor to a fixed read-only location, so that the

54      * "sidt" instruction will not leak the location of the kernel, and

55      * to defend the IDT against arbitrary memory write vulnerabilities.

56      * It will be reloaded in cpu_init() */

57     __set_fixmap(FIX_RO_IDT, __pa_symbol(idt_table), PAGE_KERNEL_RO);

58     idt_descr.address = fix_to_virt(FIX_RO_IDT);

59 

60     /*

61      * Should be a barrier for any external CPU state:

62      */

63     cpu_init();

64 

65     x86_init.irqs.trap_init();

66 

67 #ifdef CONFIG_X86_64

68     memcpy(&debug_idt_table, &idt_table, IDT_ENTRIES * 16);

69     set_nmi_gate(X86_TRAP_DB, &debug);

70     set_nmi_gate(X86_TRAP_BP, &int3);

71 #endif

72 }

该函数对中断描述表的进行了部分初始化，13-36行对系统已分配的异常和非屏蔽中断进行初始化，中断向量号为0-19。接着，39-40行在中断位图表中对已初始化的中断所对应的位进行标记。接着，43和48行又出始化了两个中断，一个是系统中断门，中断向量号为0x80，一个是系统陷阱门，中断向量号为2。

在该函数中，大家可以看出，对中断进行初始化的函数有如下几个：

1 set_intr_gate()

2 set_system_intr_gate()

3 set_system_trap_gate()
4 set_task_gate()

这几个函数也在arch/x86/kernel/traps.c中定义。分别是对中断门，系统中断门，系统陷阱门，任务门描述符的初始化。进一步深入可发现，这几个函数都调用了如下的函数：

 1 static inline void _set_gate(int gate, unsigned type, void *addr,

 2                  unsigned dpl, unsigned ist, unsigned seg)

 3 {

 4     gate_desc s;

 5 

 6     pack_gate(&s, type, (unsigned long)addr, dpl, ist, seg);

 7     /*

 8      * does not need to be atomic because it is only done once at

 9      * setup time

10      */

11     write_idt_entry(idt_table, gate, &s);

12     write_trace_idt_entry(gate, &s);

13 }

该函数定义在arch/x86/include/asm/desc.h文件中。在该函数中定义了一个gate_desc类型变量s，并将s的指针传递给pack_gate函数，把要初始化的描述符各个字段的值临时存放在s中。下边分析下pack_gate函数，在分析该函数之前，我们先看下gate_desc结构体。

 1 struct desc_struct {

 2     union {

 3         struct {

 4             unsigned int a;

 5             unsigned int b;

 6         };

 7         struct {

 8             u16 limit0;

 9             u16 base0;

10             unsigned base1: 8, type: 4, s: 1, dpl: 2, p: 1;

11             unsigned limit: 4, avl: 1, l: 1, d: 1, g: 1, base2: 8;

12         };

13     };

14 } __attribute__((packed));

typedef struct desc_struct gate_desc

该结构体定义位于arch/x86/include/asm/desc_defs.h中。该结构体中包含了一个共用体，共用体中又包含了两个结构体。我们知道，共用体在分配内存单元时，并不为每个成员都分配，而是为最大的成员来分配。可以看出该共用体的两个结构体成员大小相等，都是8B，因此整个gate_desc结构体大小就为8B。我们可以使用共用体中的任意一个结构体成员来为这个gate_desc赋值，也就是说我们既可以将gate_desc看成是struct { unsigned int a;  unsigned int b; };也可以看成是struct { u16 limit0; u16 base0; .... };下面在分析pack_gate函数过程中将看到赋值过程，我们将gate_desc看作是struct { unsigned int a;  unsigned int b; };。

1 static inline void pack_gate(gate_desc *gate, unsigned char type,

2                  unsigned long base, unsigned dpl, unsigned flags,

3                  unsigned short seg)

4 {

5     gate->a = (seg << 16) | (base & 0xffff);

6     gate->b = (base & 0xffff0000) | (((0x80 | type | (dpl << 5)) & 0xff) << 8);

7 }

该函数也定义在arch/x86/include/asm/desc.h文件中。在该函数中为gate所指向的gate_desc描述符进行初始化。gate->a是描述符的0-31位，gate->b是描述符的32-63位。描述符的如下所示：

接着，我们分析_set_gate()中的11行，write_idt_entry()调用。

1 static inline void native_write_idt_entry(gate_desc *idt, int entry, const gate_desc *gate)

2 {

3     memcpy(&idt[entry], gate, sizeof(*gate));

4 }

#define write_idt_entry() native_write_idt_entry()   //粗略的写了下，大家能明白就行 

该函数定义在arch/x86/include/asm/desc.h中。在该函数中，使用memcpy()函数将gate中的字段复制到&idt[entry]所指向的各个字段中。很显然，idt[]数组就是内核中定义的中断描述符表，我们在文章开头给大家看过该定义。gate就是我们在_set_gate()中定义的临时变量s，在这里我们将s中的字段值赋给idt[]数组的对应元素，至此一个描述符的初始化工作就全部完成了，s变量的用途也就结束了，另外，entry变量中存放的是要初始化的中断向量号，用该号来定位idt数组的元素。

 

最后，再补充说明一点东西，回头看下第4点中的trap_init()函数，在该函数中对中断描述符表进行初始化，使用了很多初始化函数比如set_intr_gate()或set_system_intr_gate()等等，我们拿第一个初始化函数set_intr_gate(X86_TRAP_DE, divide_error)来做说明。X86_TRAP_DE是枚举类型参数，代表的是中断向量号，定义在arch/x86/include/asm/traps.h文件中。这种枚举类型其实有很多。

 1 /* Interrupts/Exceptions */

 2 enum {

 3     X86_TRAP_DE = 0,    /*  0, Divide-by-zero */

 4     X86_TRAP_DB,        /*  1, Debug */

 5     X86_TRAP_NMI,        /*  2, Non-maskable Interrupt */

 6     X86_TRAP_BP,        /*  3, Breakpoint */

 7     X86_TRAP_OF,        /*  4, Overflow */

 8     X86_TRAP_BR,        /*  5, Bound Range Exceeded */

 9     X86_TRAP_UD,        /*  6, Invalid Opcode */

10     X86_TRAP_NM,        /*  7, Device Not Available */

11     X86_TRAP_DF,        /*  8, Double Fault */

12     X86_TRAP_OLD_MF,    /*  9, Coprocessor Segment Overrun */

13     X86_TRAP_TS,        /* 10, Invalid TSS */

14     X86_TRAP_NP,        /* 11, Segment Not Present */

15     X86_TRAP_SS,        /* 12, Stack Segment Fault */

16     X86_TRAP_GP,        /* 13, General Protection Fault */

17     X86_TRAP_PF,        /* 14, Page Fault */

18     X86_TRAP_SPURIOUS,    /* 15, Spurious Interrupt */

19     X86_TRAP_MF,        /* 16, x87 Floating-Point Exception */

20     X86_TRAP_AC,        /* 17, Alignment Check */

21     X86_TRAP_MC,        /* 18, Machine Check */

22     X86_TRAP_XF,        /* 19, SIMD Floating-Point Exception */

23     X86_TRAP_IRET = 32,    /* 32, IRET Exception */

24 };

第二个参数，是汇编函数的函数名（在这里作为函数指针来使用），该函数为内核原先就定义好的中断或异常处理程序。这种类型的函数有很多，都定义在arch/x86/kernel/entry_32.S文件中，下边我们列举几个给大家看看，有兴趣自己去查。

 1 ENTRY(segment_not_present)

 2     RING0_EC_FRAME

 3     ASM_CLAC

 4     pushl_cfi $do_segment_not_present

 5     jmp error_code

 6     CFI_ENDPROC

 7 END(segment_not_present)

 8 

 9 ENTRY(stack_segment)

10     RING0_EC_FRAME

11     ASM_CLAC

12     pushl_cfi $do_stack_segment

13     jmp error_code

14     CFI_ENDPROC

15 END(stack_segment)

16 

17 ENTRY(alignment_check)

18     RING0_EC_FRAME

19     ASM_CLAC

20     pushl_cfi $do_alignment_check

21     jmp error_code

22     CFI_ENDPROC

23 END(alignment_check)

24 

25 ENTRY(divide_error)

26     RING0_INT_FRAME

27     ASM_CLAC

28     pushl_cfi $0            # no error code

29     pushl_cfi $do_divide_error

30     jmp error_code

31     CFI_ENDPROC

32 END(divide_error)

这些汇编代码只是异常处理程序的开头一部分，可以看到每一个汇编段中，都有一条pushl_cfi $do_***的指令，该$do_***才是真正的异常处理程序（函数名，也是函数指针），现将该函数名压入栈中，然后通过jmp error_code指令跳转到$do_***函数中。error_code其实也是一段汇编代码，如下所示：

 1 error_code:  2 /* the function address is in %gs's slot on the stack */  3  pushl_cfi %fs  4  /*CFI_REL_OFFSET fs, 0*/  5  pushl_cfi %es  6  /*CFI_REL_OFFSET es, 0*/  7  pushl_cfi %ds  8  /*CFI_REL_OFFSET ds, 0*/  9  pushl_cfi %eax 10  CFI_REL_OFFSET eax, 0 11  pushl_cfi %ebp 12  CFI_REL_OFFSET ebp, 0 13  pushl_cfi %edi 14  CFI_REL_OFFSET edi, 0 15  pushl_cfi %esi 16  CFI_REL_OFFSET esi, 0 17  pushl_cfi %edx 18  CFI_REL_OFFSET edx, 0 19  pushl_cfi %ecx 20  CFI_REL_OFFSET ecx, 0 21  pushl_cfi %ebx 22  CFI_REL_OFFSET ebx, 0 23  cld 24  movl $(__KERNEL_PERCPU), %ecx 25  movl %ecx, %fs 26  UNWIND_ESPFIX_STACK 27  GS_TO_REG %ecx 28  movl PT_GS(%esp), %edi # get the function address 29  movl PT_ORIG_EAX(%esp), %edx # get the error code 30  movl $-1, PT_ORIG_EAX(%esp) # no syscall to restart 31  REG_TO_PTGS %ecx 32  SET_KERNEL_GS %ecx 33  movl $(__USER_DS), %ecx 34  movl %ecx, %ds 35  movl %ecx, %es 36  TRACE_IRQS_OFF 37  movl %esp,%eax # pt_regs pointer 38  call *%edi 39  jmp ret_from_exception 40  CFI_ENDPROC 41 END(page_fault)

该片段来自arch/x86/kernel/entry_32.S文件中。代码的开始部分3-22行，对寄存器进行压栈操作，因为这些寄存器将要在随后的异常处理程序中用到，所以事先要保存。最后可以看到在38行，执行了call %edi命令，调用了最终的异常处理程序，在28行可以看到将异常处理程序地址存入了edi寄存器中。第39行通过跳入ret_from_exception中，返回被中断的进程。

 

至此，中断描述符的初始化工作就告一段落。文中有问题的地方希望大家指正。qq：1193533825