操作系统中断处理机制详解

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于 2025-11-06 15:28:35 首次发布

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引言

引言

中断处理是操作系统内核的核心功能之一，它使得操作系统能够响应硬件事件和异常情况。本文将详细分析一个32位操作系统中断处理机制的完整实现，包括GDT（全局描述符表）的作用、中断描述符表的构建、8259A中断控制器的配置，以及中断处理的完整流程。下文代码片段引自《操作系统真象还原》第七章第六节：编写中断处理程序

1. 系统启动与中断初始化

1.1 系统启动流程

操作系统从main.c开始执行，首先进行一系列初始化操作：

// main.c中的启动流程
int main() {
    put_str("I am kernel\n");
    init_all();  // 初始化所有模块
    while(1);
}

init_all()函数负责初始化系统的各个模块，其中中断系统的初始化是关键环节：

static void init_all() {
    idt_init();  // 初始化中断描述符表
}

1.2 中断初始化过程

idt_init()函数是中断系统的核心初始化函数，它完成了中断描述符表的构建和加载：

static void idt_init() {
    put_str("idt_init start\n");
    idt_desc_init();    // 初始化idt
    pic_init();         // 初始化8259A
    // 加载idt
    uint64_t idt_operand = ((sizeof(idt) - 1) | ((uint64_t)(uint32_t)idt << 32));
    asm volatile("lidt %0" : : "m" (idt_operand));
    put_str("idt_init done\n");
}

2. GDT表的核心作用

2.1 GDT表的结构与定义

GDT（全局描述符表）是x86保护模式下实现内存分段管理的核心数据结构。在这个操作系统中，GDT定义了4个关键段：

; GDT表定义（loader.S第18-29行）
gdt:
    .long 0x00000000     ; 第0个描述符：空描述符（必须存在）
    .long 0x00000000
    
    .long 0x0000ffff     ; 第1个描述符：代码段描述符
    .long DESC_CODE_HIGH4
    
    .long 0x0000ffff     ; 第2个描述符：数据段和栈段描述符
    .long DESC_DATA_HIGH4
    
    .long 0x80000007     ; 第3个描述符：视频段描述符（用于显存访问）
    .long DESC_VIDEO_HIGH4

2.2 段描述符的具体功能

代码段描述符（第1个）
基地址：0x00000000（整个内存空间）
段界限：0xfffff（4GB空间，配合4K粒度）
属性：可执行、32位、DPL=0特权级
作用：为内核代码提供执行环境
数据段描述符（第2个）
基地址：0x00000000（整个内存空间）
段界限：0xfffff（4GB空间）
属性：可读写、32位、DPL=0特权级
作用：为数据访问和栈操作提供空间
视频段描述符（第3个）
基地址：0x80000000（显存物理地址）
段界限：0x00007（32KB显存空间）
属性：可读写、32位、DPL=0特权级
作用：专门用于屏幕显示操作

2.3 选择子机制

; 选择子定义（loader.S第32-35行）
SELECTOR_CODE equ (0x01 << 3) + TI_GDT + RPL0  ; 0x08
SELECTOR_DATA equ (0x02 << 3) + TI_GDT + RPL0  ; 0x10
SELECTOR_VIDEO equ (0x03 << 3) + TI_GDT + RPL0 ; 0x18

每个选择子包含：
Index字段：指向GDT中的具体描述符
TI字段：指示使用GDT（0）还是LDT（1）
RPL字段：请求特权级（0为内核级）

2.4 保护模式转换的关键步骤

; 进入保护模式的核心代码（loader.S第95-100行）
mov eax, [gdt_ptr]      ; 加载GDT指针
lgdt [eax]              ; 将GDT地址加载到GDTR寄存器

mov eax, cr0
or eax, 0x00000001      ; 设置PE位，开启保护模式
mov cr0, eax

jmp dword SELECTOR_CODE:protect_mode_entry  ; 远跳转，加载CS选择子

2.5 GDT在中断处理中的作用

GDT在中断处理中发挥关键作用：

// interrupt.c第59行
p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;  // 中断门使用内核代码段选择子

当中断发生时，CPU通过中断门描述符中的选择子（SELECTOR_K_CODE）查找GDT，加载相应的代码段描述符到CS寄存器，确保中断处理程序在内核态正确执行。

3. 中断描述符表的构建

3.1 中断门描述符结构体

中断描述符表（IDT）是中断处理的核心数据结构。每个中断门描述符占用8字节，其结构定义如下：

// interrupt.c第5-14行
struct gate_desc {
    uint16_t offset_low;    // 处理程序地址低16位
    uint16_t selector;      // 段选择子
    uint8_t  dcount;        // 占用字节数
    uint8_t  attribute;     // 属性
    uint16_t offset_high;   // 处理程序地址高16位
};

3.2 中断门描述符的创建

make_idt_desc()函数负责创建中断门描述符：

// interrupt.c第16-24行
static void make_idt_desc(struct gate_desc* p_gdesc, uint8_t attr, intr_handler function) {
    p_gdesc->offset_low = (uint32_t)function & 0x0000FFFF;
    p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;
    p_gdesc->dcount = 0;
    p_gdesc->attribute = attr;
    p_gdesc->offset_high = ((uint32_t)function & 0xFFFF0000) >> 16;
}

3.3 IDT表的初始化

idt_desc_init()函数初始化整个IDT表：

// interrupt.c第26-36行
static void idt_desc_init() {
    int i;
    for (i = 0; i < IDT_DESC_CNT; i++) {
        make_idt_desc(&idt[i], IDT_DESC_ATTR_DPL0, intr_entry_table[i]);
    }
    put_str("   idt_desc_init done\n");
}

IDT_DESC_CNT定义为0x21，支持0x00-0x20共33个中断向量号，覆盖了所有CPU异常和基本硬件中断。

3.4 SELECTOR_K_CODE选择子的作用

在make_idt_desc()函数中，p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;这一行代码至关重要。SELECTOR_K_CODE在global.h中定义为：

// global.h中的定义
#define SELECTOR_K_CODE  (1 << 3)  // 内核代码段选择子

这个选择子的结构分析：
Index字段：1（指向GDT第1个描述符，即内核代码段）
TI字段：0（使用GDT）
RPL字段：0（内核级特权）
使用SELECTOR_K_CODE的原因：
确保中断处理程序在内核态执行：中断处理程序需要最高特权级
提供正确的代码段上下文：确保中断处理程序能够访问内核资源
符合x86保护模式的设计要求：硬件通过选择子查找段描述符

4. 8259A中断控制器的配置

4.1 8259A初始化函数

pic_init()函数负责初始化8259A可编程中断控制器：

// interrupt.c第38-53行
static void pic_init() {
    // 初始化主片
    outb (PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 边沿触发+级联
    outb (PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中断向量号0x20
    outb (PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接从片
    outb (PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式

    // 初始化从片
    outb (PIC_S_CTRL, 0x11);   // ICW1: 边沿触发+级联
    outb (PIC_S_DATA, 0x28);   // ICW2: 起始中断向量号0x28
    outb (PIC_S_DATA, 0x02);   // ICW3: 从片连接主片的IR2
    outb (PIC_S_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式

    // 打开主片IR0(时钟中断)，其他全部屏蔽
    outb (PIC_M_DATA, 0xfe);
    outb (PIC_S_DATA, 0xff);

    put_str("   pic_init done\n");
}

4.2 8259A配置详解

ICW1（初始化命令字1）
0x11：边沿触发模式、级联方式、需要ICW4
ICW2（初始化命令字2）
主片：0x20（中断向量号0x20-0x27）
从片：0x28（中断向量号0x28-0x2F）
ICW3（初始化命令字3）
主片：0x04（IR2连接从片）
从片：0x02（连接主片的IR2）
ICW4（初始化命令字4）
0x01：8086模式、正常EOI
中断屏蔽
主片：0xfe（仅开启IR0，即时钟中断）
从片：0xff（全部屏蔽）

5. 中断处理程序的生成

5.1 VECTOR宏机制

kernel.S使用宏批量生成中断处理程序：

%macro VECTOR 2
section .text
intr%1entry:		                        ; 中断处理程序入口
    %2                                      ; 处理错误码
    push intr_str
    call put_str
    add esp,4			                    ; 清理栈

    mov al,0x20                             ; EOI命令
    out 0xa0,al                             ; 向从片发送EOI
    out 0x20,al                             ; 向主片发送EOI

    add esp,4			                    ; 清理错误码或压入的0
    iret				                    ; 中断返回
section .data
    dd    intr%1entry	                    ; 存储中断入口地址
%endmacro

宏参数说明：
%1：中断向量号
%2：ZERO或ERROR_CODE，控制是否压入0

5.2 中断处理程序生成

通过调用VECTOR宏生成33个中断处理程序：

VECTOR 0x00,ZERO    ; 除法错误
VECTOR 0x01,ZERO    ; 调试异常
VECTOR 0x02,ZERO    ; NMI中断
// ... 其他异常
VECTOR 0x20,ZERO    ; 时钟中断

6. 中断响应流程

6.1 中断响应的完整步骤

中断发生：硬件设备（如8253定时器）产生中断信号
中断识别：8259A接收中断信号，向CPU发送INTR
中断响应：CPU响应中断，发送INTA信号
向量获取：8259A返回中断向量号（如时钟中断为0x20）
IDT查找：CPU根据向量号查找IDT表
门描述符检查：检查中断门描述符的权限和属性
上下文保存：自动保存EFLAGS、CS、EIP到栈中
特权级切换：如果需要，切换到内核特权级
段选择子加载：加载中断门中的选择子到CS寄存器
跳转执行：跳转到中断处理程序执行：调用put_str打印"interrupt occur!"消息，向8259A发送EOI（End Of Interrupt）信号，执行iret指令返回

6.2 选择子解析与GDT查找

当中断向量号为0x20时：
IDT索引：0x20 × 8 = 0x100（IDT表中的偏移）
读取中断门：获取offset和selector字段
选择子解析：SELECTOR_K_CODE = 0x08
Index = 0x08 >> 3 = 1
TI = (0x08 >> 2) & 0x1 = 0（使用GDT）
RPL = 0x08 & 0x3 = 0（内核级）
GDT查找：GDT基地址 + 1 × 8 = 内核代码段描述符地址
段描述符加载：将段基地址等信息加载到CS的隐藏部分

6.3 中断处理执行流程

; Intel风格的中断处理程序执行流程（基于kernel.S实际代码）
intr_entry:
    ; 1. 保存现场（程序执行）
    ; 根据中断类型压入错误码或0
    push DWORD [error_code_or_zero]    ; %2 宏展开的结果
    
    ; 2. 保存字符串地址（程序执行）
    push OFFSET intr_str               ; push intr_str
    
    ; 3. 执行中断处理逻辑（程序执行）
    call put_str                        ; 调用打印函数
    
    ; 4. 清理栈中的字符串地址（程序执行）
    add esp, 4                          ; add esp,4
    
    ; 5. 发送EOI信号（程序执行）
    mov al, 20h                         ; mov al,20h
    out 0A0h, al                        ; out 0xa0,al (从片EOI)
    out 020h, al                        ; out 0x20,al (主片EOI)
    
    ; 6. 清理栈中的错误码或0（程序执行）
    add esp, 4                          ; add esp,4
    
    ; 7. 中断返回（程序调用，硬件自动执行）
    iret                                ; iret

在中断处理程序的执行流程中，有些操作是由CPU硬件自动执行的，有些是由程序代码显式执行的。详细分析一下：
CPU硬件自动执行的操作

中断响应阶段（硬件自动）
当中断发生时，CPU硬件会自动执行以下操作：

; 硬件自动执行，无需程序代码
1. CPU检测到中断信号
2. 如果IF=1，则响应中断
3. 自动保存当前现场到栈中：
   - push EFLAGS        ; 保存标志寄存器
   - push CS            ; 保存代码段选择子
   - push EIP           ; 保存指令指针
4. 如果是特权级变化，还会：
   - push SS            ; 保存栈段选择子
   - push ESP           ; 保存栈指针
5. 根据中断向量号查找IDT表
6. 自动加载新的CS和EIP（从中断门描述符中获取）
7. 跳转到中断处理程序执行

段选择子加载（硬件自动）

// 硬件自动执行，程序只需设置选择子
p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;  // 程序设置
// CPU硬件会自动：
// 1. 从选择子中提取Index=1
// 2. 计算GDT地址：GDT基地址 + 1*8
// 3. 读取段描述符
// 4. 加载段基地址到CS的隐藏部分
// 5. 加载段界限和属性到CS的隐藏部分

iret指令执行（硬件自动）

; 硬件自动执行iret的完整流程
iret
; CPU硬件会自动：
; 1. 从栈中弹出EIP（恢复指令指针）
; 2. 从栈中弹出CS（恢复代码段选择子）
; 3. 从栈中弹出EFLAGS（恢复标志寄存器）
; 4. 如果是特权级变化，还会：
;    - 从栈中弹出ESP（恢复栈指针）
;    - 从栈中弹出SS（恢复栈段选择子）
; 5. 恢复到中断前的执行状态

程序代码显式执行的操作

保存现场（程序执行）

; 程序显式执行（根据kernel.S实际代码）
intr%1entry:		                        ; 中断处理程序入口
    %2                                      ; 程序执行：根据中断类型压入错误码或0
    push intr_str                          ; 程序执行：保存字符串地址到栈中
    call put_str                           ; 程序执行：调用打印函数
    add esp,4                              ; 程序执行：清理栈中的字符串地址参数

中断处理逻辑（程序执行）

; 程序显式执行（根据kernel.S实际代码）
    ; 在call put_str中执行打印"interrupt occur!"
    ; 这里没有段寄存器切换操作，直接使用当前段环境

EOI信号发送（程序执行）

; 程序显式执行（根据kernel.S实际代码）
    mov al,20h                             ; 程序设置：EOI命令码
    out 0a0h,al                            ; 程序执行：向从片8259A发送EOI
    out 020h,al                            ; 程序执行：向主片8259A发送EOI

恢复现场（程序执行）

; 程序显式执行（根据kernel.S实际代码）
    add esp,4                              ; 程序执行：清理栈中的错误码或0
    iret                                   ; 程序调用：触发硬件自动恢复

完整的执行时序对比
硬件自动执行时序：

中断发生 → CPU检测中断 → 保存EFLAGS/CS/EIP → 查找IDT → 加载CS/EIP → 跳转处理程序
                                                                    ↓
程序执行中断处理 ← iret恢复现场 ← 程序发送EOI ← 程序处理逻辑 ← 程序保存现场

程序执行时序：

进入intr%1entry → %2(压入错误码/0) → push intr_str → call put_str → add esp,4 → mov al,20h → out 0a0h,al → out 020h,al → add esp,4 → iret

在这里插入图片描述
设计优势
这种硬件与软件分工的设计具有以下优势：
硬件保证原子性：关键的状态保存和恢复由硬件自动完成，确保原子性
软件灵活性：具体的中断处理逻辑由软件实现，具有灵活性
性能优化：硬件自动执行的关键路径性能最优
安全性：硬件自动进行的权限检查和状态切换更加安全
理解硬件与软件的分工对于深入理解中断机制至关重要，这也是x86架构设计的精髓所在。
代码特点
简化的现场管理：只管理必要的栈数据，不保存通用寄存器
无段寄存器切换：直接使用进入中断时的段环境
最小化开销：只保存和恢复中断处理必需的数据
硬件优化：充分利用CPU硬件的自动保存/恢复机制

7. "interrupt occur!"重复输出现象分析

7.1 现象描述

在系统运行过程中，屏幕会持续输出"interrupt occur!"字符串，这是时钟中断持续触发的正常现象。

7.2 原因分析

时钟中断配置：8259A仅开启了主片的IR0（时钟中断）
中断处理程序：所有中断处理程序都调用put_str输出信息
周期性触发：8253定时器以固定频率产生时钟中断
循环执行：内核主循环中持续响应中断

7.3 执行流程分析

内核启动
    ↓
初始化中断系统
    ↓
执行sti指令开启中断
    ↓
进入主循环while(1)
    ↓
时钟中断触发（约每秒多次）
    ↓
执行intr20_entry处理程序
    ↓
调用put_str输出"interrupt occur!"
    ↓
发送EOI信号
    ↓
iret返回主循环
    ↓
等待下一次时钟中断
    ↓
重复上述过程

8. 中断门属性与权限控制

8.1 中断门属性定义

// global.h中的属性定义
#define IDT_DESC_P         1
#define IDT_DESC_DPL0      0
#define IDT_DESC_32_TYPE   0xE

#define IDT_DESC_ATTR_DPL0 (IDT_DESC_P | (IDT_DESC_DPL0 << 5) | IDT_DESC_32_TYPE)

8.2 权限检查机制

x86 CPU在处理中断时会进行严格的权限检查：
CPL（当前特权级）：当前执行代码的特权级
RPL（请求特权级）：选择子中的请求特权级
DPL（描述符特权级）：段描述符或门描述符的特权级
中断门的权限规则：
CPL ≤ 门描述符的DPL：允许通过中断门
CPL ≤ 目标代码段的DPL：允许跳转到目标代码段
内核中断门的特权级：
门描述符DPL：0（只有内核可以访问）
目标代码段DPL：0（内核代码段）
SELECTOR_K_CODE的RPL：0（请求内核级特权）
这种设计确保：
用户程序不能直接访问中断门
中断处理程序在内核态执行
系统调用需要通过门机制进入内核