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电梯直达

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发表于 2011-12-28 16:25 |只看该作者 |倒序浏览

linux内核中断、异常 .

中断：

•可屏蔽中断：所有有I/O设备请求的中断都是，被屏蔽的中断会一直被CPU 忽略，直到屏蔽位被重置。
•不可屏蔽中断：非常危险的事件引起（如硬件失败）。
异常：

•处理器产生的（Fault，Trap，Abort）异常
•programmed exceptions(软中断)：由程序员通过INT或INT3指令触发，通常当做trap处理，用处：实现系统调用。
中断描述符表（IDT）：256项，其中的每一项关联一个中断/异常处理过程，有三种类型：

1.Task Gate Descriptor. Linux未使用该类型的描述符。
2.Interrupt Gate Descriptor.用于处理中断。
3.Trap Gate Descriptor. 用于处理异常。
•中断门: 用于硬件中断，DPL为0，不允许用户态直接使用int指令访问，硬件中断免去这一判断，因此可以在用户态响应中断，见set_intr_gate
•DPL3 陷阱门: 用于系统调用，DPL为3，允许用户态直接使用int指令访问，这样才能通过int80访问系统调用，只有80号向量属于此门，见 set_system_gate
•DPL0陷阱门: 用于CPU异常，不允许用户态直接使用int指令访问，硬件中断免去这一判断，因此可以在用户产生CPU异常，见set_trap_gate
在指令执行过程中控制单元检测是否有中断/异常发生，如果有，等待该条指令执行完成以后，硬件按如下过程执行：

1.确定中断向量的编号i。
2.从IDT表中得到第i个门描述符。(idtr指向IDT)
3.由第i项中的选择符和gdtr 查到位于GDT中的段描述符，从而得到中断处理程序的基地址，而偏移量位于门描述符中。
4.做权限检查：比较cs中的CPL和GDT中段描述符的DPL，确保中断处理程序的特权级不低于调用者。对于programed exception 还需检查CPL与门描述符的DPL，还应确保CPL大于等于门的DPL。Why？因为INT指令允许用户态的进程产生中断信号，其向量值可以为0到255的任一值，为了避免用户通过INT指令产生非法中断，在初始化的时候，将向量值为80H的门描述符（系统调用使用该门）的DPL设为3，将其他需要避免访问的门描述符的DPL值设为0，这样在做权限检查的时候就可以检查出来非法的情况。
5.检查是否发生了特权级的变化，一般指是否由用户态陷入了内核态。如果是由用户态陷入了内核态，控制单元必须开始使用与新的特权级相关的堆栈a. 读tr寄存器，访问运行进程的tss段。why？因为任何进程从用户态陷入内核态都必须从TSS获得内核堆栈指针。
b. 用与新特权级相关的栈段和栈指针装载ss和esp寄存器。这些值可以在进程的tss段中找到。

c. 在新的栈（内核栈）中保存用户态的ss和esp，这些值指明了用户态相关栈的逻辑地址。

6.若发生的是故障，用引起异常的指令地址修改cs和eip寄存器的值，以使得这条指令在异常处理结束后能被再次执行
7.在栈中保存eflags、cs和eip的内容
8.如果异常带有一个硬件出错码，则将它保存在栈中
9.装载cs和eip寄存器，其值分别是在GDT中找到的段描述符段基址和IDT表中第i 个门的偏移量。这样就得到了中断/异常处理程序第一条指令的逻辑地址。
从中断/异常返回：

中断/异常处理完后，相应的处理程序会执行一条iret指令，做了如下事情:

1)用保存在栈中的值装载cs、eip和eflags寄存器。如果一个硬件出错码曾被压入栈中，那么弹出这个硬件出错码

2)检查处理程序的特权级是否等于cs中最低两位的值(这意味着进程在被中断的时候是运行在内核态还是用户态)。若是内核态，iret终止执行；否则，转入3

3) 从栈中装载ss和esp寄存器。这步意味着返回到与旧特权级相关的栈。

4)检查ds、es、fs和gs段寄存器的内容，如果其中一个寄存器包含的选择符是一个段描述符，并且特权级比当前特权级高，则清除相应的寄存器。这么做是防止怀有恶意的用户程序利用这些寄存器访问内核空间。

关于硬件中断和异常的原理简单描述为：当中断到到来时，由硬件触发中断引脚，通过引脚号找到中断号，然后通过中断号从中断描述符表（IDT)中找到对应的项。从gdtr寄存器中获得GDT的基地址，并在GDT中查找，以读取IDT表项中的选择符所标识的段描述符。这个描述符指定中断或异常处理程序所在段的基地址。权限检查。保存现场。装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i想们描述符的段选择符和偏移量字段。这些值给出了中断或者异常处理程序的第一条指令的逻辑地址。中断或异常返回后，相应的处理程序必须产生一条iret指令，把控制权转交给被中断的进程。

中断流：

中断描述符表的初始化

在内核初始化过程中，setup_idt汇编语言函数用同一个中断门（即指向ignore_int中断处理程序)来填充所有这256个表项

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01./*
02. * setup_idt
03. *
04. * sets up a idt with 256 entries pointing to
05. * ignore_int, interrupt gates. It doesn't actually load
06. * idt - that can be done only after paging has been enabled
07. * and the kernel moved to PAGE_OFFSET. Interrupts
08. * are enabled elsewhere, when we can be relatively
09. * sure everything is ok.
10. *
11. * Warning: %esi is live across this function.
12. */
13.setup_idt:
14. lea ignore_int,%edx
15. movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
16. movw %dx,%ax /* selector = 0x0010 = cs */
17. movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
18.
19. lea idt_table,%edi
20. mov $256,%ecx
21.rp_sidt:
22. movl %eax,(%edi)
23. movl %edx,4(%edi)
24. addl $8,%edi
25. dec %ecx
26. jne rp_sidt
27.
28..macro set_early_handler handler,trapno
29. lea \handler,%edx
30. movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
31. movw %dx,%ax
32. movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
33. lea idt_table,%edi
34. movl %eax,8*\trapno(%edi)
35. movl %edx,8*\trapno+4(%edi)
36..endm
37.
38. set_early_handler handler=early_divide_err,trapno=0
39. set_early_handler handler=early_illegal_opcode,trapno=6
40. set_early_handler handler=early_protection_fault,trapno=13
41. set_early_handler handler=early_page_fault,trapno=14
42.
43. ret
/*
* setup_idt
*
* sets up a idt with 256 entries pointing to
* ignore_int, interrupt gates. It doesn't actually load
* idt - that can be done only after paging has been enabled
* and the kernel moved to PAGE_OFFSET. Interrupts
* are enabled elsewhere, when we can be relatively
* sure everything is ok.
*
* Warning: %esi is live across this function.
*/
setup_idt:
lea ignore_int,%edx
movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
movw %dx,%ax /* selector = 0x0010 = cs */
movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
lea idt_table,%edi
mov $256,%ecx
rp_sidt:
movl %eax,(%edi)
movl %edx,4(%edi)
addl $8,%edi
dec %ecx
jne rp_sidt
.macro set_early_handler handler,trapno
lea \handler,%edx
movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
movw %dx,%ax
movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
lea idt_table,%edi
movl %eax,8*\trapno(%edi)
movl %edx,8*\trapno+4(%edi)
.endm
set_early_handler handler=early_divide_err,trapno=0
set_early_handler handler=early_illegal_opcode,trapno=6
set_early_handler handler=early_protection_fault,trapno=13
set_early_handler handler=early_page_fault,trapno=14
ret

复制代码

在start_kernel中调用trap_init函数想idt表中添加项（主要是异常处理）

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01.void __init trap_init(void)
02.{
03. int i;
04.
05.#ifdef CONFIG_EISA
06. void __iomem *p = early_ioremap(0x0FFFD9, 4);
07.
08. if (readl(p) == 'E' + ('I'<<8) + ('S'<<16) + ('A'<<24))
09. EISA_bus = 1;
10. early_iounmap(p, 4);
11.#endif
12.
13. set_intr_gate(0, ÷_error);
14. set_intr_gate_ist(1, &debug, DEBUG_STACK);
15. set_intr_gate_ist(2, &nmi, NMI_STACK);
16. /* int3 can be called from all */
17. set_system_intr_gate_ist(3, &int3, DEBUG_STACK);
18. /* int4 can be called from all */
19. set_system_intr_gate(4, &overflow);
20. set_intr_gate(5, &bounds);
21. set_intr_gate(6, &invalid_op);
22. set_intr_gate(7, &device_not_available);
23.#ifdef CONFIG_X86_32
24. set_task_gate(8, GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
25.#else
26. set_intr_gate_ist(8, &double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);
27.#endif
28. set_intr_gate(9, &coprocessor_segment_overrun);
29. set_intr_gate(10, &invalid_TSS);
30. set_intr_gate(11, &segment_not_present);
31. set_intr_gate_ist(12, &stack_segment, STACKFAULT_STACK);
32. set_intr_gate(13, &general_protection);
33. set_intr_gate(14, &page_fault);
34. set_intr_gate(15, &spurious_interrupt_bug);
35. set_intr_gate(16, &coprocessor_error);
36. set_intr_gate(17, &alignment_check);
37.#ifdef CONFIG_X86_MCE
38. set_intr_gate_ist(18, &machine_check, MCE_STACK);
39.#endif
40. set_intr_gate(19, &simd_coprocessor_error);
41.
42. /* Reserve all the builtin and the syscall vector: */
43. for (i = 0; i < FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i++)
44. set_bit(i, used_vectors);
45.
46.#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
47. set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);
48. set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
49.#endif
50.
51.#ifdef CONFIG_X86_32
52. if (cpu_has_fxsr) {
53. printk(KERN_INFO "Enabling fast FPU save and restore... ");
54. set_in_cr4(X86_CR4_OSFXSR);
55. printk("done.\n");
56. }
57. if (cpu_has_xmm) {
58. printk(KERN_INFO
59. "Enabling unmasked SIMD FPU exception support... ");
60. set_in_cr4(X86_CR4_OSXMMEXCPT);
61. printk("done.\n");
62. }
63.
64. set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
65. set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
66.#endif
67.
68. /*
69. * Should be a barrier for any external CPU state:
70. */
71. cpu_init();
72.
73. x86_init.irqs.trap_init();
74.}
void __init trap_init(void)
{
int i;
#ifdef CONFIG_EISA
void __iomem *p = early_ioremap(0x0FFFD9, 4);
if (readl(p) == 'E' + ('I'<<8) + ('S'<<16) + ('A'<<24))
EISA_bus = 1;
early_iounmap(p, 4);
#endif
set_intr_gate(0, ÷_error);
set_intr_gate_ist(1, &debug, DEBUG_STACK);
set_intr_gate_ist(2, &nmi, NMI_STACK);
/* int3 can be called from all */
set_system_intr_gate_ist(3, &int3, DEBUG_STACK);
/* int4 can be called from all */
set_system_intr_gate(4, &overflow);
set_intr_gate(5, &bounds);
set_intr_gate(6, &invalid_op);
set_intr_gate(7, &device_not_available);
#ifdef CONFIG_X86_32
set_task_gate(8, GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
#else
set_intr_gate_ist(8, &double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);
#endif
set_intr_gate(9, &coprocessor_segment_overrun);
set_intr_gate(10, &invalid_TSS);
set_intr_gate(11, &segment_not_present);
set_intr_gate_ist(12, &stack_segment, STACKFAULT_STACK);
set_intr_gate(13, &general_protection);
set_intr_gate(14, &page_fault);
set_intr_gate(15, &spurious_interrupt_bug);
set_intr_gate(16, &coprocessor_error);
set_intr_gate(17, &alignment_check);
#ifdef CONFIG_X86_MCE
set_intr_gate_ist(18, &machine_check, MCE_STACK);
#endif
set_intr_gate(19, &simd_coprocessor_error);
/* Reserve all the builtin and the syscall vector: */
for (i = 0; i < FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i++)
set_bit(i, used_vectors);
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);
set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
#endif
#ifdef CONFIG_X86_32
if (cpu_has_fxsr) {
printk(KERN_INFO "Enabling fast FPU save and restore... ");
set_in_cr4(X86_CR4_OSFXSR);
printk("done.\n");
}
if (cpu_has_xmm) {
printk(KERN_INFO
"Enabling unmasked SIMD FPU exception support... ");
set_in_cr4(X86_CR4_OSXMMEXCPT);
printk("done.\n");
}
set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
#endif
/*
* Should be a barrier for any external CPU state:
*/
cpu_init();
x86_init.irqs.trap_init();
}

复制代码

异常处理

异常处理程序有一个标准的结构，由以下三部分组成：

1，在内核堆栈中保存大多数寄存器的内容（这部分用汇编语言实现）

例如，对于除0异常的汇编

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01.ENTRY(divide_error)
02. RING0_INT_FRAME
03. pushl $0 # no error code
04. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
05. pushl $do_divide_error
06. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
07. jmp error_code
08. CFI_ENDPROC
09.END(divide_error)
ENTRY(divide_error)
RING0_INT_FRAME
pushl $0 # no error code
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
pushl $do_divide_error
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
jmp error_code
CFI_ENDPROC
END(divide_error)

复制代码

其中入口divide_error为idt表中对应项的处理函数地址，也就是说，产生异常后首先跳到这里执行。当异常产生时，如果控制单元没有自动地把一个硬件出错代码插入到栈中，相应的汇编片段会含一条pushl $0指令，在栈中垫上一个空值。然后，把高级c函数的地址压入栈中，他的名字由异常处理程序名与do_前缀组成。然后跳转到error_code中执行

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01.error_code:
02. /* the function address is in %gs's slot on the stack */
03. pushl %fs
04. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
05. /*CFI_REL_OFFSET fs, 0*/
06. pushl %es
07. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
08. /*CFI_REL_OFFSET es, 0*/
09. pushl %ds
10. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
11. /*CFI_REL_OFFSET ds, 0*/
12. pushl %eax
13. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
14. CFI_REL_OFFSET eax, 0
15. pushl %ebp
16. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
17. CFI_REL_OFFSET ebp, 0
18. pushl %edi
19. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
20. CFI_REL_OFFSET edi, 0
21. pushl %esi
22. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
23. CFI_REL_OFFSET esi, 0
24. pushl %edx
25. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
26. CFI_REL_OFFSET edx, 0
27. pushl %ecx
28. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
29. CFI_REL_OFFSET ecx, 0
30. pushl %ebx
31. CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
32. CFI_REL_OFFSET ebx, 0
33. cld
34. movl $(__KERNEL_PERCPU), %ecx
35. movl %ecx, %fs
36. UNWIND_ESPFIX_STACK
37. GS_TO_REG %ecx
38. movl PT_GS(%esp), %edi # get the function address
39. movl PT_ORIG_EAX(%esp), %edx # get the error code
40. movl $-1, PT_ORIG_EAX(%esp) # no syscall to restart
41. REG_TO_PTGS %ecx
42. SET_KERNEL_GS %ecx
43. movl $(__USER_DS), %ecx
44. movl %ecx, %ds
45. movl %ecx, %es
46. TRACE_IRQS_OFF
47. movl %esp,%eax # pt_regs pointer
48. call *%edi
49. jmp ret_from_exception
error_code:
/* the function address is in %gs's slot on the stack */
pushl %fs
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
/*CFI_REL_OFFSET fs, 0*/
pushl %es
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
/*CFI_REL_OFFSET es, 0*/
pushl %ds
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
/*CFI_REL_OFFSET ds, 0*/
pushl %eax
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET eax, 0
pushl %ebp
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET ebp, 0
pushl %edi
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET edi, 0
pushl %esi
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET esi, 0
pushl %edx
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET edx, 0
pushl %ecx
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET ecx, 0
pushl %ebx
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
CFI_REL_OFFSET ebx, 0
cld
movl $(__KERNEL_PERCPU), %ecx
movl %ecx, %fs
UNWIND_ESPFIX_STACK
GS_TO_REG %ecx
movl PT_GS(%esp), %edi # get the function address
movl PT_ORIG_EAX(%esp), %edx # get the error code
movl $-1, PT_ORIG_EAX(%esp) # no syscall to restart
REG_TO_PTGS %ecx
SET_KERNEL_GS %ecx
movl $(__USER_DS), %ecx
movl %ecx, %ds
movl %ecx, %es
TRACE_IRQS_OFF
movl %esp,%eax # pt_regs pointer
call *%edi
jmp ret_from_exception
error_code

复制代码

汇编代码主要完成大部分寄存器的保存，然后调用call *%edi代码调用上面保存在栈中的c函数执行。
在linux2.6内核中，采用宏的方式定义这类do_函数：

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01.DO_ERROR_INFO(0, SIGFPE, "divide error", divide_error, FPE_INTDIV, regs->ip)
02.DO_ERROR(4, SIGSEGV, "overflow", overflow)
03.DO_ERROR(5, SIGSEGV, "bounds", bounds)
04.DO_ERROR_INFO(6, SIGILL, "invalid opcode", invalid_op, ILL_ILLOPN, regs->ip)
05.DO_ERROR(9, SIGFPE, "coprocessor segment overrun", coprocessor_segment_overrun)
06.DO_ERROR(10, SIGSEGV, "invalid TSS", invalid_TSS)
07.DO_ERROR(11, SIGBUS, "segment not present", segment_not_present)
08.#ifdef CONFIG_X86_32
09.DO_ERROR(12, SIGBUS, "stack segment", stack_segment)
10.#endif
DO_ERROR_INFO(0, SIGFPE, "divide error", divide_error, FPE_INTDIV, regs->ip)
DO_ERROR(4, SIGSEGV, "overflow", overflow)
DO_ERROR(5, SIGSEGV, "bounds", bounds)
DO_ERROR_INFO(6, SIGILL, "invalid opcode", invalid_op, ILL_ILLOPN, regs->ip)
DO_ERROR(9, SIGFPE, "coprocessor segment overrun", coprocessor_segment_overrun)
DO_ERROR(10, SIGSEGV, "invalid TSS", invalid_TSS)
DO_ERROR(11, SIGBUS, "segment not present", segment_not_present)
#ifdef CONFIG_X86_32
DO_ERROR(12, SIGBUS, "stack segment", stack_segment)
#endif