Linux内核初始化（二）：早期中断与异常处理机制解析

Linux内核初始化（二）：早期中断与异常处理机制解析

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中断与异常基础概念

在计算机系统中，中断和异常是处理器响应外部事件或内部错误的重要机制。当这些事件发生时，CPU会暂停当前执行的任务，转而执行特定的处理程序。

中断类型划分

1. 硬件中断：由外部设备触发，如键盘按键、定时器到期等
2. 软件中断：通过特定指令（如int）主动触发，常用于系统调用
3. 异常：CPU执行指令时检测到的错误条件，如除零错误、页错误等

x86架构的中断向量表

x86体系结构使用0-255的向量号来标识不同中断和异常：

• 0-31：保留给处理器定义的异常
• 32-255：用于用户定义的中断

关键异常列表

| 向量号 | 助记符 | 描述 | 类型 | 错误码 | |--------|--------|--------------------|--------|--------| | 0 | #DE | 除零错误 | 故障 | 无 | | 6 | #UD | 无效操作码 | 故障 | 无 | | 8 | #DF | 双重错误 | 中止 | 有 | | 13 | #GP | 通用保护错误 | 故障 | 有 | | 14 | #PF | 页错误 | 故障 | 有 |

中断描述符表(IDT)详解

IDT是x86架构中用于管理中断处理程序的关键数据结构，每个条目称为"门描述符"。在64位模式下，每个门描述符占16字节。

门描述符结构

127-96位：保留
95-64位：偏移量63-32
63-48位：偏移量31-16
47-32位：属性字段
31-16位：段选择子
15-0位：偏移量15-0

其中属性字段包含：

• P：段存在标志
• DPL：描述符特权级
• Type：门类型（任务门/中断门/陷阱门）

Linux内核早期IDT初始化

在初始化过程中，内核首先设置一个基本的IDT来处理早期异常。

idt_setup_early_handler函数

void __init idt_setup_early_handler(void)
{
    for (i = 0; i < NUM_EXCEPTION_VECTORS; i++)
        set_intr_gate(i, early_idt_handler_array[i]);
    load_idt(&idt_descr);
}

这个函数完成以下工作：

1. 遍历前32个异常向量
2. 为每个向量设置中断门
3. 通过lidt指令加载IDT

早期异常处理程序布局

early_idt_handler_array是一个包含32个异常处理程序入口的数组，每个入口的汇编结构如下：

1. 对于不产生错误码的异常：压入0作为占位符
2. 压入向量号
3. 跳转到通用处理程序early_idt_handler_common

示例反汇编：

pushq $0x0      ; 错误码占位
pushq $0x1      ; 向量号1
jmp common_handler

中断处理流程详解

当CPU检测到中断或异常时，硬件自动执行以下操作：

1. 将RFLAGS、CS和RIP寄存器压栈
2. 如果异常产生错误码，将其压栈
3. 根据向量号查找IDT并跳转到对应处理程序
4. 处理程序执行完毕后通过iret指令返回

栈帧布局

处理程序执行时的栈结构：

| RFLAGS       |
| CS           |
| RIP          |
| 错误码       | 
| 向量号       | ← RSP

技术实现细节

set_intr_gate函数

static void set_intr_gate(unsigned int n, const void *addr)
{
    struct idt_data data = {
        .vector = n,
        .addr = addr,
        .segment = __KERNEL_CS,
        .bits.type = GATE_INTERRUPT,
        .bits.p = 1
    };
    idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false);
}

该函数构造一个中断门描述符并写入IDT的指定位置。

IDT内存布局

内核使用gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES]数组存储IDT，通过desc_ptr结构描述其位置和大小：

struct desc_ptr {
    unsigned short size;
    unsigned long address;
} __attribute__((packed));

总结

Linux内核在早期初始化阶段建立了一个基本的中断处理框架，通过精心设计的IDT结构和统一的异常处理流程，为后续更复杂的中断管理机制奠定了基础。理解这部分代码对于掌握Linux内核中断子系统至关重要。

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