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  • 内核随记(一)——理解中断(1)

    一直认为,理解中断是理解内核的开始。中断已经远远超过仅仅为外围设备服务的范畴,它是现代体系结构的重要组成部分。
    1、基本输入输出方式
    现代体系结构的基本输入输出方式有三种:
    (1)程序查询:
    CPU周期性询问外部设备是否准备就绪。该方式的明显的缺点就是浪费CPU资源,效率低下。
    但是,不要轻易的就认为该方式是一种不好的方式(漂亮的女人不一定好,不漂亮的女人通常很可爱),通常效率低下是由于CPU在大部分时间没事可做造成的,这种轮询方式自有应用它的地方。例如,在网络驱动中,通常接口(Interface)每接收一个报文,就发出一个中断。而对于高速网络,每秒就能接收几千个报文,在这样的负载下,系统性能会受到极大的损害。
    为了提高系统性能,内核开发者已经为网络子系统开发了一种可选的基于查询的接口NAPI(代表new API)。当系统拥有一个高流量的高速接口时,系统通常会收集足够多的报文,而不是马上中断CPU。
    (2)中断方式
    这是现代CPU最常用的与外围设备通信方式。相对于轮询,该方式不用浪费稀缺的CPU资源,所以高效而灵活。中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断,启动中断控制器,还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行,花费的工作量很大,这样如果需要大量数据交换,系统的性能会很低。
    (3)DMA方式
    通常用于高速设备,设备请求直接访问内存,不用CPU干涉。但是这种方式需要DMA控制器,增加了硬件成本。在进行DMA数据传送之前,DMA控制器会向CPU申请总线控制 权,CPU如果允许,则将控制权交出,因此,在数据交换时,总线控制权由DMA控制器掌握,在传输结束后,DMA控制器将总线控制权交还给CPU。

    2、中断概述
    2.1、中断向量
    X86支持256个中断向量,依次编号为0~255。它们分为两类:
    (1)异常,由CPU内部引起的,所以也叫同步中断,不能被CPU屏蔽;它又分为Faults(可更正异常,恢复后重新执行),Traps(返回后执行发生trap指令的后一条指令)和Aborts(无法恢复,系统只能停机);
    (2)中断,由外部设备引起的。它又分为可屏蔽中断(INTR)和非可屏蔽中断(NMI)。
    Linux对256个中断向量分配如下:
    (1)0~31为异常和非屏蔽中断,它实际上被Intel保留。
    (2)32~47为可屏蔽中断。
    (3)余下的48~255用来标识软中断;Linux只用了其中一个,即128(0x80),用来实现系统调用。当用户程序执行一条int 0x80时,就会陷入内核态,并执行内核函数system_call(),该函数与具体的架构相关。
    2.2、可屏蔽中断
    X86通过两个级连的8259A中断控制器芯片来管理15个外部中断源,如图所示:


    外部设备要使用中断线,首先要申请中断号(IRQ),每条中断线的中断号IRQn对应的中断向量为n+32,IRQ和向量之间的映射可以通过中断控制器商端口来修改。X86下8259A的初始化工作及IRQ与向量的映射是在函数init_8259A()(位于arch/i386/kernel/i8259.c)完成的。
    CPU通过INTR引脚来接收8259A发出的中断请求,而且CPU可以通过清除EFLAG的中断标志位(IF)来屏蔽外部中断。当IF=0时,禁止任何外部I/O请求,即关中断(对应指令cli)。另外,中断控制器有一个8位的中断屏蔽寄存器(IMR),每位对应8259A中的一条中断线,如果要禁用某条中断线,相应的位置1即可,要启用,则置0。
    IF标志位可以使用指令STI和CLI来设置或清除。并且只有当程序的CPL<=IOPL时才可执行这两条指令,否则将引起一般保护性异常(通常来说,in,ins,out,outs,cli,sti只有在CPL<=IOPL时才能执行,这些指令称为I/O敏感指令)。
    以下一些操作也会影响IF标志位:
        (1)PUSHF指令将EFLAGS内容存入堆栈,且可以在那里修改。POPF可将已经修改过的内容写入EFLAGS寄存器。
        (2)任务切换和IRET指令会加载EFLAGS寄存器。因此,可修改IF标志。
        (3)通过中断门处理一个中断时,IF标志位被自动清除,从而禁止可尽屏蔽中断。但是,陷阱门不会复位IF。
    2.3、异常及非屏蔽中断
    异常就是CPU内部出现的中断,也就是说,在CPU执行特定指令时出现的非法情况。非屏蔽中断就是计算机内部硬件出错时引起的异常情况。从上图可以看出,二者与外部I/O接口没有任何关系。Intel把非屏蔽中断作为异常的一种来处理,因此,后面所提到的异常也包括了非屏蔽中断。在CPU执行一个异常处理程序时,就不再为其他异常或可屏蔽中断请求服务,也就是说,当某个异常被响应后,CPU清除EFLAG的中IF位,禁止任何可屏蔽中断(IF不能禁止异常和非可屏蔽中断)。但如果又有异常产生,则由CPU锁存(CPU具有缓冲异常的能力),待这个异常处理完后,才响应被锁存的异常。我们这里讨论的异常中断向量在0~31之间,不包括系统调用(中断向量为0x80)。

    2.4、中断描述符表
    2.4.1、中断描述符
    在实地址模式中,CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表。表中的每个表项占四个字节,由两个字节的段地址和两个字节的偏移量组成,这样构成的地址便是相应中断处理程序的入口地址。但是,在保护模式下,由四字节的表项构成的中断向量表显然满足不了要求。这是因为,除了两个字节的段描述符,偏移量必用四字节来表示;要有反映模式切换的信息。因此,在保护模式下,中断向量表中的表项由8个字节组成,中断向量表也改叫做中断描述符表IDT(Interrupt Descriptor Table)。其中的每个表项叫做一个门描述符(gate descriptor),“门”的含义是当中断发生时必须先通过这些门,然后才能进入相应的处理程序。门描述符的一般格式如下:

    中断描述符表中可放三类门描述符:
    (1)中断门(Interrupt gate)
    其类型码为110,它包含一个中断或异常处理程序所在的段选择符和段内偏移。控制权通过中断门进入中断处理程序时,处理器清IF标志,即关中断,以避免嵌套中断的发生。中断门中的DPL(Descriptor Privilege Level)为0,因此,用户态的进程不能访问Intel的中断门。所有的中断处理程序都由中断门激活,并全部限制在内核态。设置中断门的代码如下:
    //n为中断向量号,addr为中断处理程序地址,位于arch/i386/kernel/traps.c
    void set_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
    {  
    //type=14,dpl=0,selector=__KERNEL_CS
        _set_gate(idt_table+n,14,0,addr,__KERNEL_CS);
    }
    Idt_table为中断描述符表,其定义位于arch/i386/kernel/traps.c中,如下:
    //中断描述符表
    struct desc_struct idt_table[256] __attribute__((__section__(".data.idt"))) = { {00}, };
    //描述符结构
    struct desc_struct {
        unsigned 
    long a,b;
    };
    (2)陷阱门(Trap gate)
    其类型码为111,与中断门类似,其唯一的区别是,控制权通过陷阱门进入处理程序时维持IF标志位不变,也就是说,不关中断。其设置代码如下:
    static void __init set_trap_gate(unsigned int n, void *addr)
    {
        _set_gate(idt_table
    +n,15,0,addr,__KERNEL_CS);
    }
    (3)任务门(Task gate)
    IDT中的任务门描述符格式与GDT和LDT中的任务门格式相同,含有一个任务TSS段的选择符,该任务用于处理异常或中断,Linux用于处理Double fault。其设置代码如下:
    static void __init set_task_gate(unsigned int n, unsigned int gdt_entry)
    {
        _set_gate(idt_table
    +n,5,0,0,(gdt_entry<<3));
    }
    它们各自的格式如下:

    此外,在Linux中还有系统门(System gate),用于处理用户态下的异常overflow,bound以及系统调用int 0x80;以及系统中断门(system interrupt gate),用来处理int3,这样汇编指令int3就能在用户态下调用。
    static void __init set_system_gate(unsigned int n, void *addr)
    {
        _set_gate(idt_table
    +n,15,3,addr,__KERNEL_CS);
    }
    //设置系统调用门描述符,在trap.c中被trap_init()调用
    set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);

    //设置系统中断门
    static inline void set_system_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
    {
        _set_gate(idt_table
    +n, 143, addr, __KERNEL_CS);
    }


    //位于arch/i386/kernel/traps.c
    void __init trap_init(void)
    {
    set_trap_gate(
    0,&divide_error);
        set_intr_gate(
    1,&debug);
        set_intr_gate(
    2,&nmi);
        
    //系统中断门
        set_system_intr_gate(3&int3); /* int3-5 can be called from all */
        
    //系统门
        set_system_gate(4,&overflow);
        set_system_gate(
    5,&bounds);
        
        set_trap_gate(
    6,&invalid_op);
        set_trap_gate(
    7,&device_not_available);
        set_task_gate(
    8,GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
        set_trap_gate(
    9,&coprocessor_segment_overrun);
        set_trap_gate(
    10,&invalid_TSS);
        set_trap_gate(
    11,&segment_not_present);
        set_trap_gate(
    12,&stack_segment);
        set_trap_gate(
    13,&general_protection);
        set_intr_gate(
    14,&page_fault);
        set_trap_gate(
    15,&spurious_interrupt_bug);
        set_trap_gate(
    16,&coprocessor_error);
        set_trap_gate(
    17,&alignment_check);
    #ifdef CONFIG_X86_MCE
        set_trap_gate(
    18,&machine_check);
    #endif
        set_trap_gate(
    19,&simd_coprocessor_error);

        set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,
    &system_call);
    }
    2.4.2、中断描述表初始化
    中断描述表的最终初始化是init/main.c中的start_kernel()中完成的
    asmlinkage void __init start_kernel(void)
    {
    //陷阱门初始化
        trap_init();
        
    //中断门初始化
        init_IRQ();
        
    //软中断初始化
        softirq_init();
    }
    中断门的设置是在init_IRQ()中完成的,如下:
    //位于arch/i386/kernel/i8259.c
    void __init init_IRQ(void)
    {
        
    //调用init_ISA_irqs
        pre_intr_init_hook();
         
    //设置中断门
        for (i = 0; i < (NR_VECTORS - FIRST_EXTERNAL_VECTOR); i++) {
            
    int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
            
    if (i >= NR_IRQS)
                
    break;
            
    //跳过系统调用的向量
            if (vector != SYSCALL_VECTOR) 
                set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
        }
    }
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