【自制操作系统08】中断
由于中断这块的知识和代码都占较大篇幅，因此分成两章来讲，本章不包含任何中断的代码，只讲理论部分，以及中断的大概流程。代码实现部分由下一章来讲解
一、到目前为止的程序流程图
为了让大家清楚目前的程序进度，画了到目前为止的程序流程图，如下。
二、什么是中断
这里我们先从形象的角度来描述，中断就是让操作系统停止手中正在进行的工作，先把中断信号对应的处理程序执行完毕，再回到之前的程序中继续进行，这样一个机制。
一个很形象的说法是，我们的操作系统就是 中断驱动 的，可以把操作系统简单理解为一个 死循环，无时无刻不在等待中断的来临，被动 地执行相应的任务。
while(true){
操作系统代码
}
三、中断的分类
外部中断
外部中断通过两个引脚连接到 CPU 上，一个是可屏蔽中断 INTR，一个是不可屏蔽中断 NMI
- INTR：硬盘、打印机、网卡等设备发出的中断信号，可通过 eflags 寄存器的 IF 位将所有这些外部设备的中断屏蔽
- NMI：电源掉电、内存读写错误、总线奇偶校验错误等灾难性的错误，不可屏蔽，CPU 必须立刻处理
对于可屏蔽中断，Linux 的处理方式是分成 上半部 和 下半部。上半部执行时关闭中断，立刻执行完毕；下半部执行时打开中断，此时如果有其他中断进来，则让给其他中断（也是上半部执行完毕）。
内部中断
内部中断可分为 软中断 和 异常，二者均是不可屏蔽的（即不受 eflags 的 IF 位影响）
-
软中断：就是软件发起的中断，最常见的也是我们之后进行系统调用的，就是 int 8位立即数，可表示 256 中中断。还有一些不常用的，甚至可以叫做异常，下面简单列出
- int3：中断向量号3，调试断点指令
- into：中断向量号4，中断溢出指令
- bound：中断向量号5，检查数组索引越界指令
- ud2：中断向量号6，未定义指令，常用于软件测试中主动发起这个中断
-
异常：指令执行期间 CPU 内部产生的错误引起，如分母为 0 将发起 6 号中断（异常），未定义的指令发起 6 号中断
- Fault（故障）：可恢复的错误。发生此中断时，CPU 将机器状态恢复到异常之前的状态，之后调用中断处理程序，结束后返回。常见的如 缺页异常
- Trap（陷阱）：有意的异常。通常是调试程序中用 int3 指令主动触发。
- Abort（终止）：不可恢复的异常。直接将此程序从进程表中去掉。
四、中断号
我们知道一个中断对应着一个 中断号（中断向量号），下面列表说明
| 中断号 | 含义 | 来源 | 类型 | 是否有错误码 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | divide error | DIV and IDIV instructions | Fault | 无 |
| 1 | debug | any code or data reference | Fault/Trap | 无 |
| 2 | NMI Interrupt | NMI | Interrupt | 无 |
| 3 | Breakpoint | INT3 instruction | Trap | 无 |
| 4 | Overflow | INTO instruction | Trap | 无 |
| 5 | bound range exceeded | BOUND instruction | Fault | 无 |
| 6 | invalid opcode | UD2 instruction or reserved opcode.1 | Fault | 无 |
| 7 | device not available | floationg-point or WAIT/FWAIT instruction | Fault | 无 |
| 8 | double fault | any instruction that can generate an exception, an NMI, or an INTR | Fault | Y(0) |
| 9 | CoProcessor Segment Overrun | Floating-point instruction.2 | Fault | 无 |
| 10 | invalid TSS | task switch or TSS access | Fault | Y |
| 11 | segment not present | loading segment registers or accessing system segments | Fault | Y |
| 12 | stack segment fault | stack operations and SS register loads | Fault | Y |
| 13 | general protection | any memory reference and other protection checks | Fault | Y |
| 14 | page fault | any memory reference | Fault | Y |
| 15 | reserved | |||
| 16 | floating-point error | floating-point or WAIT/FWAIT instruction | Fault | 无 |
| 17 | alignment check | any data refrence in memory.3 | Fault | Y(0) |
| 18 | machine check | error codes and source are model dependent.4 | Fault | 无 |
| 19 | SIMD floating-point exception | SIMD floating-point instruction5 | Fault | 无 |
| 20-31 | reserved | |||
| 32-255 | maskable interrupts | External Interrupt from INTR pin or INT n instruction | Interrupt | 无 |
五、中断描述符表 IDT
我们先来回顾一下上一讲 【自制操作系统07】深入浅出特权级 说的四种门描述符
| 门 | type值 | 存在位置 | 用法 |
|---|---|---|---|
| 任务门 | 0101 | GDT、LDT、IDT | 与TSS配合实现任务切换，不过大多数操作系统都不这么玩 |
| 中断门 | 1110 | IDT | 进入中断后屏蔽中断（eflags的IF位置0），linux利用此实现系统调用，int 0x80 |
| 陷阱门 | 1111 | IDT | 进入中断后不屏蔽中断 |
| 调用门 | 1100 | GDT、LDT | 用户用call或jmp指令从用户进程进入0特权级 |
你看，正如上一讲所说，中断门进入后先是屏蔽了中断，也就是中断例程的 上半部，程序中可以随时打开中断，也就自然到了 下半部，这就是 linux 系统的处理方式。
如何找到中断描述符表呢？你猜的没错，正如找 段描述符表，页表 等一样，有个 IDTR 寄存器存储它的位置（0-15位是表界限，16-47位表示表基址），有个 lidt 指令负责加载 IDTR。经典做法，我们见过太多次了，就不多说啦，不理解的可以从本系列开头开始看哟。
六、中断处理过程
上图就表示了整个中断处理的过程，不过还有几处图中没有显示
特权级检查：CPL <= 门描述符DPL && CPL > 目标代码段DPL
栈的处理：将 CS、EIP、EFLAGS、SS、ESP 寄存器的值压入中断处理程序使用的栈
七、8259A芯片
我们之前说过，外部设备发出中断信号，进入 CPU 的 INT 引脚上。但如果有多个外部设备近乎同时发送中断信号，CPU 先处理哪一个呢？未被处理的中断信号又记录在哪里呢？这时候就需要有个 中间的代理设备 来负责这个事情。
这个代理设备叫做 可编程中断控制器 PIC，其中 8259A 芯片是最常见的一种，我们这里把它的内部结构展示出来，由于是硬件相关，就不展开细说了，但由于之后要为其进行编程，所以大家先有个印象。
八、中断代码实现
由于到此篇幅过长，且中断代码的实现也是需要很大篇幅描述的，包括 可编程中断控制器的初始化，IDT 的初始化，以及中断例程代码的编写，所以将放在下一章进行讲解。
写在最后：开源项目和课程规划
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参考书籍
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项目开源
当你看到该文章时，代码可能已经比文章中的又多写了一些部分了。你可以通过提交记录历史来查看历史的代码，我会慢慢梳理提交历史以及项目说明文档，争取给每一课都准备一个可执行的代码。当然文章中的代码也是全的，采用复制粘贴的方式也是完全可以的。
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