linux内核学习笔记：中断与异常

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
四. 异步中断
        异步中断，当前进程是无效的。异步中断分为：IO中断，时钟中断，处理器之间中断。下面重点学习linux的IO中断处理。所有中断处理程序都执行四个相同的工作。
（1）在内核态保存IRQ的只和寄存器的值
（2）应答中断
（3）执行这个IRQ的所有中断服务例程。
（4）中断返回
        IRQ基本的数据结构为irq_desc_t，每一个IRQ都有一个这样的数据结构。这个数据结构包括：操作可编程中断控制器的方法，中断处理程序链表首地址，中断向量的状态，以及各种锁。操作可编程中断控制器的方法用来应答中断，而action字段是中断处理程序链表首地址，这个链表是irqaction数据结构的链表。这个数据结构包含有中断处理程序地址。下面学习中断发生时，linux内核处理的过程。
（1）当CPU通过接收到一个中断的时候，首先硬件自动处理这个中断，与异常一样。
（2）然后跳转到装载在中断描述符表中的通用中断处理程序，interrupt[n]
        这个函数，首先将n-256压入堆栈，然后跳转到common_interrupt函数中。在各函数首先保存CPU相关的寄存器，跳转到do_IRQ函数中。这个函数是中断处理的主函数。
（3）do_IRQ函数
        这个函数应答中断，然后依次执行irq_desc_t数组中相应的irqaction中的中断处理函数。然后返回。
五. 从中断和异常返回
        从中断中返回意味这要恢复被中断的程序。被中断的程序有可能是以下几种：中断处理程序，可延迟函数，普通进程（包括内核态与用户态）。如果是前两种内核控制路径，在这两种控制路径执行时内核是禁止抢占的。所以考虑的情况简单。如果中断的是普通进程或者内核线程。那么在返回的时候必须考虑以下问题：
（1）挂起的进程切换请求
（2）挂起的信号
（3）进程跟踪标志
        这些标志都在进程thread_info结构中的flags中，所以返回代码必须检查这些标志，执行不同的操作。返回代码有两个ret_from_intr和ret_from_exception，分别对应着中断与异常。这两个函数从本质上做了如下的操作：
        首先将当前进程的thread_info描述符地址装载到ebp寄存器中，判断压入栈中的cs和eflags的值，确定被中断的是内核态或者是用户态。如果是内核态执行resume_kernel,如果是用户态执行resume_userspace
（1）恢复到内核态
        首先检查是否允许内核抢占，从栈中恢复现场，恢复内核程序的执行。如果允许内核抢占，检查当前进程的调度标志，如果需要调度那么调用调度程序执行进程调度。
（2）恢复到用户态
        这个主要检查是否有重新调度标志，如果有调度。还有检查信号与单步运行标志，如果设置则执行相应的处理。如果所有标志都没设置，直接恢复原来进程的执行。