内核随记(一)——理解中断(1)

一直认为，理解中断是理解内核的开始。中断已经远远超过仅仅为外围设备服务的范畴，它是现代体系结构的重要组成部分。
1、基本输入输出方式
现代体系结构的基本输入输出方式有三种：
(1)程序查询：
CPU周期性询问外部设备是否准备就绪。该方式的明显的缺点就是浪费CPU资源，效率低下。
但是，不要轻易的就认为该方式是一种不好的方式(漂亮的女人不一定好，不漂亮的女人通常很可爱)，通常效率低下是由于CPU在大部分时间没事可做造成的，这种轮询方式自有应用它的地方。例如，在网络驱动中，通常接口(Interface)每接收一个报文，就发出一个中断。而对于高速网络，每秒就能接收几千个报文，在这样的负载下，系统性能会受到极大的损害。
为了提高系统性能，内核开发者已经为网络子系统开发了一种可选的基于查询的接口NAPI(代表new API)。当系统拥有一个高流量的高速接口时，系统通常会收集足够多的报文，而不是马上中断CPU。
(2)中断方式
这是现代CPU最常用的与外围设备通信方式。相对于轮询，该方式不用浪费稀缺的CPU资源，所以高效而灵活。中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。
(3)DMA方式
通常用于高速设备，设备请求直接访问内存，不用CPU干涉。但是这种方式需要DMA控制器，增加了硬件成本。在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制 权，CPU如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握，在传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。

2、中断概述
2.1、中断向量
X86支持256个中断向量，依次编号为0~255。它们分为两类：
(1)异常，由CPU内部引起的，所以也叫同步中断，不能被CPU屏蔽；它又分为Faults(可更正异常，恢复后重新执行)，Traps(返回后执行发生trap指令的后一条指令)和Aborts(无法恢复，系统只能停机)；
(2)中断，由外部设备引起的。它又分为可屏蔽中断(INTR)和非可屏蔽中断(NMI)。
Linux对256个中断向量分配如下：
(1)0~31为异常和非屏蔽中断，它实际上被Intel保留。
(2)32~47为可屏蔽中断。
(3)余下的48~255用来标识软中断；Linux只用了其中一个，即128(0x80)，用来实现系统调用。当用户程序执行一条int 0x80时，就会陷入内核态，并执行内核函数system_call()，该函数与具体的架构相关。
2.2、可屏蔽中断
X86通过两个级连的8259A中断控制器芯片来管理15个外部中断源，如图所示：


外部设备要使用中断线，首先要申请中断号(IRQ)，每条中断线的中断号IRQn对应的中断向量为n+32，IRQ和向量之间的映射可以通过中断控制器商端口来修改。X86下8259A的初始化工作及IRQ与向量的映射是在函数init_8259A()(位于arch/i386/kernel/i8259.c)完成的。
CPU通过INTR引脚来接收8259A发出的中断请求，而且CPU可以通过清除EFLAG的中断标志位(IF)来屏蔽外部中断。当IF=0时，禁止任何外部I/O请求，即关中断(对应指令cli)。另外，中断控制器有一个8位的中断屏蔽寄存器(IMR)，每位对应8259A中的一条中断线，如果要禁用某条中断线，相应的位置1即可，要启用，则置0。
IF标志位可以使用指令STI和CLI来设置或清除。并且只有当程序的CPL<=IOPL时才可执行这两条指令，否则将引起一般保护性异常(通常来说，in，ins，out，outs，cli，sti只有在CPL<=IOPL时才能执行，这些指令称为I/O敏感指令)。
以下一些操作也会影响IF标志位：
    (1)PUSHF指令将EFLAGS内容存入堆栈，且可以在那里修改。POPF可将已经修改过的内容写入EFLAGS寄存器。
    (2)任务切换和IRET指令会加载EFLAGS寄存器。因此，可修改IF标志。
    (3)通过中断门处理一个中断时，IF标志位被自动清除，从而禁止可尽屏蔽中断。但是，陷阱门不会复位IF。
2.3、异常及非屏蔽中断
异常就是CPU内部出现的中断,也就是说，在CPU执行特定指令时出现的非法情况。非屏蔽中断就是计算机内部硬件出错时引起的异常情况。从上图可以看出，二者与外部I/O接口没有任何关系。Intel把非屏蔽中断作为异常的一种来处理，因此，后面所提到的异常也包括了非屏蔽中断。在CPU执行一个异常处理程序时，就不再为其他异常或可屏蔽中断请求服务，也就是说，当某个异常被响应后，CPU清除EFLAG的中IF位，禁止任何可屏蔽中断(IF不能禁止异常和非可屏蔽中断)。但如果又有异常产生，则由CPU锁存（CPU具有缓冲异常的能力），待这个异常处理完后，才响应被锁存的异常。我们这里讨论的异常中断向量在0～31之间，不包括系统调用（中断向量为0x80）。

2.4、中断描述符表
2.4.1、中断描述符
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。表中的每个表项占四个字节，由两个字节的段地址和两个字节的偏移量组成，这样构成的地址便是相应中断处理程序的入口地址。但是，在保护模式下，由四字节的表项构成的中断向量表显然满足不了要求。这是因为，除了两个字节的段描述符，偏移量必用四字节来表示；要有反映模式切换的信息。因此，在保护模式下，中断向量表中的表项由8个字节组成，中断向量表也改叫做中断描述符表IDT（Interrupt Descriptor Table）。其中的每个表项叫做一个门描述符（gate descriptor），“门”的含义是当中断发生时必须先通过这些门，然后才能进入相应的处理程序。门描述符的一般格式如下：

中断描述符表中可放三类门描述符：
(1)中断门(Interrupt gate)
其类型码为110，它包含一个中断或异常处理程序所在的段选择符和段内偏移。控制权通过中断门进入中断处理程序时，处理器清IF标志，即关中断，以避免嵌套中断的发生。中断门中的DPL（Descriptor Privilege Level）为0，因此，用户态的进程不能访问Intel的中断门。所有的中断处理程序都由中断门激活，并全部限制在内核态。设置中断门的代码如下：

//n为中断向量号,addr为中断处理程序地址，位于arch/i386/kernel/traps.c
void set_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{  //type=14，dpl=0，selector=__KERNEL_CS
    _set_gate(idt_table+n,14,0,addr,__KERNEL_CS);
}

Idt_table为中断描述符表，其定义位于arch/i386/kernel/traps.c中，如下：

//中断描述符表
struct desc_struct idt_table[256] __attribute__((__section__(".data.idt"))) = { {0, 0}, };
//描述符结构
struct desc_struct {
    unsigned long a,b;
};

(2)陷阱门(Trap gate)
其类型码为111,与中断门类似，其唯一的区别是，控制权通过陷阱门进入处理程序时维持IF标志位不变，也就是说，不关中断。其设置代码如下：

static void __init set_trap_gate(unsigned int n, void *addr)
{
    _set_gate(idt_table+n,15,0,addr,__KERNEL_CS);
}

(3)任务门(Task gate)
IDT中的任务门描述符格式与GDT和LDT中的任务门格式相同，含有一个任务TSS段的选择符，该任务用于处理异常或中断，Linux用于处理Double fault。其设置代码如下：

static void __init set_task_gate(unsigned int n, unsigned int gdt_entry)
{
    _set_gate(idt_table+n,5,0,0,(gdt_entry<<3));
}

它们各自的格式如下：

此外，在Linux中还有系统门(System gate)，用于处理用户态下的异常overflow，bound以及系统调用int 0x80；以及系统中断门(system interrupt gate)，用来处理int3，这样汇编指令int3就能在用户态下调用。

static void __init set_system_gate(unsigned int n, void *addr)
{
    _set_gate(idt_table+n,15,3,addr,__KERNEL_CS);
}
//设置系统调用门描述符，在trap.c中被trap_init()调用
set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);

//设置系统中断门
static inline void set_system_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{
    _set_gate(idt_table+n, 14, 3, addr, __KERNEL_CS);
}


//位于arch/i386/kernel/traps.c
void __init trap_init(void)
{
set_trap_gate(0,&divide_error);
    set_intr_gate(1,&debug);
    set_intr_gate(2,&nmi);
    //系统中断门
    set_system_intr_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */
    //系统门
    set_system_gate(4,&overflow);
    set_system_gate(5,&bounds);
    
    set_trap_gate(6,&invalid_op);
    set_trap_gate(7,&device_not_available);
    set_task_gate(8,GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
    set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
    set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
    set_trap_gate(11,&segment_not_present);
    set_trap_gate(12,&stack_segment);
    set_trap_gate(13,&general_protection);
    set_intr_gate(14,&page_fault);
    set_trap_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
    set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
    set_trap_gate(17,&alignment_check);
#ifdef CONFIG_X86_MCE
    set_trap_gate(18,&machine_check);
#endif
    set_trap_gate(19,&simd_coprocessor_error);

    set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);
}

2.4.2、中断描述表初始化
中断描述表的最终初始化是init/main.c中的start_kernel()中完成的

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
//陷阱门初始化
    trap_init();
    //中断门初始化
    init_IRQ();
    //软中断初始化
    softirq_init();
}

中断门的设置是在init_IRQ()中完成的，如下：

//位于arch/i386/kernel/i8259.c
void __init init_IRQ(void)
{
    //调用init_ISA_irqs
    pre_intr_init_hook();
     //设置中断门
    for (i = 0; i < (NR_VECTORS - FIRST_EXTERNAL_VECTOR); i++) {
        int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
        if (i >= NR_IRQS)
            break;
        //跳过系统调用的向量
        if (vector != SYSCALL_VECTOR) 
            set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
    }
}