操作系统原理与实现 LEC3：中断，异常与系统调用

前言

引入：OS如何与外设交互？

外设具有控制器和缓冲区，将输出存入缓冲区
OS获取输入的两种可能方法

轮询：不断读取缓冲区的值
中断：控制器接收到输入后，打断CPU正常执行，OS进行处理

实例：
显示器：60Hz，对CPU而言频率很低，可以采取中断响应
网络：中断+一段时间的轮询（保证快速响应）

应用一般不直接操作设备，而是从OS获取输入（部分用户态驱动除外），例如getchar()调用read()请求OS将输入返回给程序。

通用概念

中断
- 外部硬件设备产生的信号。
- 中断是异步的，产生的原因和当前执行的指令无关。
异常
- 软件程序执行产生的事件，包括系统调用。
- 异常是同步的，产生和执行与当前执行或试图执行的指令有关。

不同体系结构术语的对应关系

之后提到的中断、异常采取上面的通用概念。

AArch64的中断（异步异常）

重置（Reset）
- 最高级别的异常
- 由系统上电，控制软件，Watchdog等触发
中断（Interrupt）
- CPU外部信号触发，打断当前执行
- 如计时器中断、键盘中断等

AArch64的异常（同步异常）

中止（Abort）
失败的指令获取或数据访问
异常产生执行
- SVC（Supervisor Call）
  当用户空间通过系统调用陷入到内核空间的时候，则最终会通过SVC指令进入到内核空间
- HVC（Hypervisor Call）
  当在ARMv8-A架构下，normal world, EL1尝试去访问EL2的时候，则会陷入到虚拟化层的，其中是通过HVC指令
- SMC（Secure Moniter Call）
  用于切换noramal world 和 secure world使用。

中断的产生

AArch64中断（异步异常）的产生

早期：向量中断控制器。
ARM处理器中的GIC（Genetal Interrupt Controller）可以管理中断。
需要考虑的问题：

如何定义优先级
交给谁处理
如何与软件协同

AArch64中断（异步异常）的分类

IRQ
普通中断，优先级低，处理慢。
FIQ
快速中断，优先级高，处理快。
一次只能有一个FIQ，常为可信任的中断源预留。

IRQ和FIQ连接CPU的不同针脚，由GIC进行控制。

SError
难以定位和处理的异常，多由异步中止导致。

GIC中断来源

如图所示

SPI 共享外围中断
- 由所有CPU共同连接的设备触发
- 可以被路由到一个或多个核，找到可用的核进行处理
- Distributor可配置路由
- 如UART中断
- 中断ID：32-1019 4096-5119
PPI 私有设备中断
- 由每个处理器核上的私有设备触发
- 指定核处理
- 如通用定时器（Generic Timer）
- 中断ID：16-31 1056-5119
SGI 软件产生中断
- 发送核间中断进行通信
- 中断ID：0-15

GIC的路由配置

以启用Timer为例：使用MMIO，设置GIC中寄存器，启用timer

GIC中断信息获取

使用MMIO，从GIC中的寄存
器里获得中断信息

Linux中的中断处理

尽快返回 + 延迟处理
Top Half + Bottom Half

中断处理中的一些约束

不能睡眠或者调用可能会睡眠的任务
不能调用schedule()调度
不能释放信号或调用可能睡眠的操作
不能和用户地址空间交换数据

中断和异常的处理

处理流程

中断和异常处理的必做事项

进入中断或异常时
- 需保存处理器状态，方便之后恢复执行
- 需准备好在高特权级下进行执行的环境
- 需选择合适的异常处理器代码进行执行
- 需保证用户态和内核态之间的隔离
处理时
- 需获得关于异常的信息，如系统调用参数、错误原因等
返回时
- 需恢复处理器状态，返回低特权级，继续正常执行流

AArch64的异常处理流程

异常发生-信息保存，切换到EL1

异常或中断发生后，硬件会将错误码和部分上下文信息存储在寄存器中
– 处理器状态（PSTATE）-> Saved Program Status Register
（SPSR_EL1）
– 当前指令地址（PC）-> Exception Link Register（ELR_EL1）
– 异常发生原因 ->

Serror与异常：Exception Syndrome Register（ESR_EL1）
中断：GIC中的寄存器（使用MMIO读取）
• 安全性问题
– 上述寄存器均不可在用户态（EL0）中访问
• 硬件会适当修改处理器状态（PSTATE），进入EL1执行
• 问题：栈内存的安全性
– 进入EL1级别后，栈指针（SP）会自动换用SP_EL1
– 从而实现用户栈->内核栈
– 如需在EL1下使用SP_EL0作为栈指针，可配置SPSel寄存器

异常处理-寻址handler

• 使用异常向量表（Exception Vector Table）
– 每个异常级别存在独立的异常向量表
– 表项为异常向量（Exception Vector），是处理异常或跳转
到异常handler的小段汇编代码
– 地址位于VBAR_EL1寄存器中
– 选择表项取决于
• 异常类型（同步、IRQ、FIQ、Serror）
• 异常发生的特权级
• 异常发生时的处理器状态（使用的栈指针/运行状态）

eret 指令
– ELR_EL1 -> PC，恢复PC状态
– SPSR_EL1 -> PSTATE，恢复处理器状态
– 降至EL0，硬件自动使用SP_EL0作为栈指针
– 恢复执行