中断子系统

中断的定义

中断分为两类：

• 同步中断，由CPU内部错误生成 - exception（异常）

异常又分为：

• fault (错误)：可纠正的错误，比如page fault。发生异常后，执行完异常的处理函数后，返回到发生错误的那条指令，重新执行。
• trap（陷阱）：在陷阱指令执行后立即报告；用于调试，GDB的实现依赖。在这种情况下，中断信号的作用是通知调试程序一条特殊指令已被执行。之后会返回到下一条指令。
• abort（终止）：严重错误，比如硬件错误等，发生了这种异常，就切换到异常中止处理程序，中止当前进程。
• Programmed exception：应用程序主动请求发出的，由指令int/int3触发。比如：用户程序调用系统调用时，执行int指令陷入内核。

• 异步中断，来自设备的外部中断 - interrupt（中断）

中断分为：

• 可屏蔽中断：来自IO的中断都是可屏蔽的
• 不可屏蔽中断：NMI，一般是硬件故障。

类别	原因	异步/同步	返回行为
中断	来自I/O设备的信号	异步	总是返回到下一条指令
陷阱	有意的异常	同步	总是返回到下一条指令
故障	潜在可恢复的错误	同步	返回到当前指令
终止	不可恢复的错误	同步	不会返回

中断向量

每个中断或者异常由0-255的数来标识，这就是中断向量。NMI和exception的中断向量是固定的，可屏蔽中断的中断向量是变化的。

x86发布了20多种异常，这些异常的中断向量是固定的，定义在CPU的SPEC中，见Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 1 6.5.1 Call and Return Operation for Interrupt or Exception Handling Procedures。

每种异常都对应一个异常处理函数。定义在arch/x86/include/asm/idtentry.h 中。

每个异常处理函数执行时，会给引起异常的进程发一个信号。

向量号	异常代号	描述	来源	异常处理函数	信号
0	#DE	Divide Error	DIV and IDIV instructions.	divide_error()	SIGFPE
1	#DB	Debug	Any code or data referenc.	debug()	SIGTRAP
2		NMI Interrupt	Non-maskable external interrupt.	nmi()	None
3	#BP	Breakpoint	INT3 instruction.	int3()	SIGTRAP
4	#OF	Overflow	INTO instruction.	overflow()	SIGSEGV
5	#BR	BOUND Range Exceeded	BOUND instruction.	bounds()	SIGSEGV
6	#UD	Invalid Opcode (Undefined Opcode)	UD instruction or reserved opcode.	invalid_op()	SIGILL
7	#NM	Device Not Available (No Math Coprocessor)	Floating-point or WAIT/FWAIT instruction.	device_not_available()	None
8	#DF	Double Fault	Any instruction that can generate an exception, an NMI, or an INTR.	doublefault_fn()	None
9	#MF	CoProcessor Segment Overrun (reserved)	Floating-point instruction.	coprocessor_segment_overrun()	SIGPE
10	#TS	Invalid TSS	Task switch or TSS access.	invalid_tss()	SIGSEGV
11	#NP	Segment Not Present	Loading segment registers or accessing system segments.	segment_not_present()	SIGBUS
12	#SS	Stack Segment Fault	Stack operations and SS register loads.	stack_segment	SIGBUS
13	#GP	General Protection	Any memory reference and other protection checks.	general_protection()	SIGSEGV
14	#PF	Page Fault	Any memory reference.	page_fault()	SIGSEGV
15		Reserved
16	#MF	Floating-Point Error (Math Fault)	Floating-point or WAIT/FWAIT instruction.	coprocessor_error()	SIGFPE
17	#AC	Alignment Check	Any data reference in memory.	alignment_check()	SIGSEGV
18	#MC	Machine Check	Error codes (if any) and source are model dependent.	machine_check()	None
19	#XM	SIMD Floating-Point Exception	SIMD Floating-Point Instruction	simd_coprocessor_error()	SIGFPE
20	#VE	Virtualization Exception	EPT violations	virtualization_exception()
21	#CP	Control Protection Exception	The RET, IRET, RSTORSSP, and SETSSBSY instructions can generate this exception. When CET indirect branch tracking is enabled, this exception can be generated due to a missing ENDBRANCH instruction at the target of an indirect call or jump.	control_protection()
22-31		Reserved
32-255		Maskable Interrupts	External interrupt from INTR pin or INT n instruction.

硬件结构

1. 外部PIC芯片（早期架构）

PIC：可编程中断控制器（Programmable Interrupt），x86的PIC是独立于CPU的一块芯片，嵌入式领域的SoC一般在芯片内集成。

外部设备连接到PIC上，PIC的INT引脚连接CPU的INTR引脚。

1. 外设将RQ信号线连接到PIC的输入引脚（IRQ0-IRQ7）。
2. 当外设发起中断时，它通过自己的IRQ线向PIC发送一个电信号。
3. PIC接收这个请求，决定其优先级。
4. PIC然后通过INTR，Interrupt Request向CPU发送一个信号，告诉CPU“有一个中断需要处理”。
5. CPU在执行完当前指令后，如果允许中断，会通过另一条线INTA（Interrupt Acknowledge）向PIC发送一个确认信号。
6. PIC收到确认后，会将该设备对应的中断向量号放到数据总线上。
7. CPU读取这个向量号，然后在中断描述符表（IDT） 中查找对应的条目，找到处理这个中断的服务函数地址，并跳转过去执行。
8. 执行完毕后，会通知PIC中断处理已完成。

1. APIC（现代架构）

为了支持多处理器系统（SMP），APIC产生了。APIC包含两个部分：

• LAPIC：本地APIC，内置在CPU中。每个CPU core有一个专属的LAPIC，负责处理
  • CPU本地产生的中断，如IPI，定时器中断等
  • 接收I/O APIC发来的中断消息，并将其传递给core执行。
• I/O APIC：CPU外置的一个芯片。负责收集所有外设的中断请求，将中断以消息的形式发送给一个或多个core的LAPIC。

中断描述符表（IDT）

IDT, Interrupt Descriptor Table。当中断或者异常来临，CPU通过中断号从IDT中查找到对应的entry得到中断或异常的处理函数的入口地址。

IDT可以放在内存的任何地方，把IDT的基地址填入CPU的Interrupt Descriptor Table Register(中断描述表寄存器)，CPU就能找到它。内核启动后，在允许中断发生前，必须使用 lidt 汇编指令初始化IDT。

Linux对IDT的初始化的代码

在arch/x86/kernel/head_64.S中：

startup_64_setup_gdt_idt定义在arch/x86/boot/startup/gdt_idt.c中。它的任务是在内核切换到虚拟地址运行前，设置GDT和IDT。调用startup_64_load_idt对IDT进行设置。

创建好描述符然后调用native_load_idt，使用lidt指令初始化idtr。

门描述符（Gate Descriptors）

参考Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3 6.11 IDT DESCRIPTORS.

Intel为了让控制CPU在不同的特权级对代码段的访问，CPU提供了4种门描述符，IDT可能包含除call gate外的三种门描述符。

• Call gates（调用门）：可能存在于GDT和LDT中，不能存在于IDT中。这里跳过。
• Trap gates（陷阱门）：和中断门一样，不过用于处理异常。
• Interrupt gates（中断门）：用于中断处理，当中断来到，跳转到描述符中的处理函数的地址执行。
• Task gates（任务门）：用于task切换。当中断来临用一个进程取代当前的进程。

Linux下对门描述符的细分

刚刚说的那三个类型的中断描述符是Intel制定的，Linux在这些描述符上进行了二创，并进行了更细的分类。

• 中断门（interrupt gate）：本质是Intel中断门，DPL（标识特权级）字段为0。Linux所有的中断处理程序都通过中断门激活，并全部在内核态。
• 系统门（system interrupt gate）：本质是Intel中断门，DPL为3。用户态可以访问。通过系统门可以激活3个Linux异常处理程序，它们的向量是3、4和128（0x80）。所以在用户态下，可以通过into、bound、int 0x80陷入内核。
• Interrupt gate with interrupt stack：本质是Intel中断门，DPL为0，ist不为0。

问：啥是IST？

• 任务门（Task gate）：本质是Intel任务门，DPL为0。对Double fault异常是通过任务门触发的。