Linux中斷一網(wǎng)打盡(1) - IDT及中斷處理的實(shí)現(xiàn)
通過閱讀本文您可以了解到：
- IDT是什么 矾湃；
- IDT如何被初始化谈宛；
- 什么是門昂芜；
- 傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用是如何實(shí)現(xiàn)的哄辣；
- 硬件中斷的實(shí)現(xiàn);
如何設(shè)置IDT
IDT 中斷描述符表定義
中斷描述符表簡(jiǎn)單來說說是定義了發(fā)生中斷/異常時(shí)，CPU按這張表中定義的行為來處理對(duì)應(yīng)的中斷/異常正歼。
#define IDT_ENTRIES 256
gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES] __page_aligned_bss;
從上面我們可以知道辐马，其包含了256項(xiàng)，它是一個(gè)gate_desc的數(shù)據(jù)，其下標(biāo)0-256就表示中斷向量喜爷，gate_desc我們?cè)谙旅骜R上介紹冗疮。
中斷描述符項(xiàng)定義
當(dāng)中斷發(fā)生，cpu獲取到中斷向量后檩帐，查找IDT中斷描述符表得到相應(yīng)的中斷描述符术幔，再根據(jù)中斷描述符記錄的信息來作權(quán)限判斷，運(yùn)行級(jí)別轉(zhuǎn)換湃密，最終調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序诅挑；
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這里涉及到Linux kernel的分段式內(nèi)存管理，我們這里不詳細(xì)展開泛源，有興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)拔妥。如下簡(jiǎn)述之：
我們知道CPU只認(rèn)識(shí)邏輯地址，邏輯地址經(jīng)分段處理轉(zhuǎn)換成線性地址达箍，線性地址經(jīng)分頁(yè)處理最終轉(zhuǎn)換成物理地址没龙，這樣就可以從內(nèi)存中讀取了；
邏輯地址你可以簡(jiǎn)單認(rèn)為就是CPU執(zhí)行代碼時(shí)從CS(代碼段寄存器) ： IP （指令計(jì)數(shù)寄存器）中加載的代碼缎玫，實(shí)際上通過CS可以得到邏輯地址的基地址硬纤，再加上IP這個(gè)相對(duì)于基地址的偏移量，就得到真正的邏輯地址赃磨；
CS寄存器16位筝家，它不會(huì)包含真正的基地址，它一般被稱為
段選擇子煞躬，包括一個(gè)index索引肛鹏，指向GDT或LDT的一項(xiàng)；一個(gè)指示位恩沛，指示index索引是屬于GDT還是LDT; 還有CPL, 表明當(dāng)前代碼運(yùn)行權(quán)限；GDT: 全局描述符表缕减，每一項(xiàng)記錄著相應(yīng)的段基址雷客，段大小，段的訪問權(quán)限DPL等桥狡，到這里終于可以獲取到段基地址了搅裙，再加上之前IP寄存器里存放的偏移量，真正的邏輯地址就有了裹芝。-
附上簡(jiǎn)圖：
idt2.jpg
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我們先看中斷描述符的定義：
struct gate_struct { u16 offset_low; u16 segment; struct idt_bits bits; u16 offset_middle; #ifdef CONFIG_X86_64 u32 offset_high; u32 reserved; #endif } __attribute__((packed));其中：
offset_high,offset_middle和offset_low合起來就是中斷處理函數(shù)地址的偏移量部逮；segment就是相應(yīng)的段選擇子，根據(jù)它在GDT中查找可以最終獲取到段基地址嫂易；-
bits是該中斷描述符的一些屬性值：struct idt_bits { u16 ist : 3, zero : 5, type : 5, dpl : 2, p : 1; } __attribute__((packed));ist表示此中斷處理函數(shù)是使用pre-cpu的中斷棧兄朋，還是使用IST的中斷棧;type表示所中斷是何種類型，目前有以下四種：enum { GATE_INTERRUPT = 0xE, //中斷門 GATE_TRAP = 0xF, // 陷入門 GATE_CALL = 0xC, // 調(diào)用門 GATE_TASK = 0x5, // 任務(wù)門 };門的概念這里主要用作權(quán)限控制怜械，我們從一個(gè)區(qū)域進(jìn)到另一個(gè)區(qū)域需要通過一扇門颅和，有門禁權(quán)限才可以通過傅事，因此dpl就是這個(gè)權(quán)限，實(shí)際中我們一般稱為RPL峡扩；我們后面會(huì)通過一個(gè)例子來講一下
CPL,RPL和DPL三者之間的關(guān)系蹭越。
IDT 中斷描述符表本身的存儲(chǔ)
IDT 中斷描述符表的物理地址存儲(chǔ)在IDTR寄存器中，這個(gè)寄存器存儲(chǔ)了IDT的基地址和長(zhǎng)度教届。查詢時(shí)响鹃，從 IDTR 拿到 base address ，加上向量號(hào) * IDT entry size案训，即可以定位到對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)(gate)茴迁。
設(shè)置IDT
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設(shè)置中斷門類型的IDT描述符
static void set_intr_gate(unsigned int n, const void *addr) { struct idt_data data; BUG_ON(n > 0xFF); memset(&data, 0, sizeof(data)); data.vector = n; // 中斷向量 data.addr = addr; // 中斷處理函數(shù)的地址 data.segment = __KERNEL_CS; // 段選擇子 data.bits.type = GATE_INTERRUPT; // 類型 data.bits.p = 1; idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false); }上面的函數(shù)主要是填充好
idt_data，然后調(diào)用idt_setup_from_table; -
idt_setup_from_table:static void idt_setup_from_table(gate_desc *idt, const struct idt_data *t, int size, bool sys) { gate_desc desc; for (; size > 0; t++, size--) { idt_init_desc(&desc, t); write_idt_entry(idt, t->vector, &desc); if (sys) set_bit(t->vector, system_vectors); } }首先使用
idt_data結(jié)構(gòu)來填充中斷描述符變量idt_init_desc, 然后將這個(gè)中斷描述符變量copy進(jìn)idt_table萤衰。看堕义，就是這么簡(jiǎn)單~~~
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gate_desc的多種初始化方法因?yàn)?code>gate_desc是通過
ida_dat填充的，所以這里關(guān)鍵是idt_data的初始化脆栋，我們?cè)敿?xì)看一下：/* Interrupt gate 中斷門倦卖，DPL = 0 只能從內(nèi)核調(diào)用 */ #define INTG(_vector, _addr) \ G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS) /* System interrupt gate 系統(tǒng)中斷門，DPL = 3 可以從用戶態(tài)調(diào)用椿争，比如系統(tǒng)調(diào)用 */ #define SYSG(_vector, _addr) \ G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS) /* * Interrupt gate with interrupt stack. The _ist index is the index in * the tss.ist[] array, but for the descriptor it needs to start at 1. 中斷門, DPL = 0 只能從內(nèi)核態(tài)調(diào)用怕膛，使用TSS.IST[]作為中斷棧 */ #define ISTG(_vector, _addr, _ist) \ G(_vector, _addr, _ist + 1, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS) /* Task gate 任務(wù)門， DPL = 0 只能作內(nèi)核態(tài)調(diào)用 */ #define TSKG(_vector, _gdt) \ G(_vector, NULL, DEFAULT_STACK, GATE_TASK, DPL0, _gdt << 3)我們?cè)賮砜聪?code>G這個(gè)宏的實(shí)現(xiàn)：
#define G(_vector, _addr, _ist, _type, _dpl, _segment) \ { \ .vector = _vector, \ .bits.ist = _ist, \ .bits.type = _type, \ .bits.dpl = _dpl, \ .bits.p = 1, \ .addr = _addr, \ .segment = _segment, \ }實(shí)際上就是填充
idt_data的各個(gè)字段秦踪。
傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)
這里所說的傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用主要指舊的32位系統(tǒng)使用 int 0x80軟件中斷來進(jìn)入內(nèi)核態(tài)褐捻，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)用。因?yàn)檫@種傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用方式需要進(jìn)入內(nèi)核后作權(quán)限驗(yàn)證椅邓，還要切換內(nèi)核棧后作大量壓棧方式柠逞，調(diào)用結(jié)束后清理?xiàng)Ｗ骰謴?fù)，兩個(gè)字太慢景馁，后來CPU從硬件上支持快速系統(tǒng)調(diào)用sysenter/sysexit, 再后來又發(fā)展到syscall/sysret板壮， 這兩種都不需要通過中斷方式進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，而是直接轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)合住，速度快了很多绰精。
傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用相關(guān) IDT 的設(shè)置
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Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過程中內(nèi)核壓解后最終都調(diào)用到
start_kernel, 在這里會(huì)調(diào)用trap_init, 然后又會(huì)調(diào)用idt_setup_traps:void __init idt_setup_traps(void) { idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true); }我們來看這里的
def_idts的定義：static const __initconst struct idt_data def_idts[] = { .... #if defined(CONFIG_IA32_EMULATION) SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_compat), #elif defined(CONFIG_X86_32) SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32), #endif };
? 上面的SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)就是設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用的異常中斷處理程序，其中 #define IA32_SYSCALL_VECTOR 0x80
再看一下SYSG的定義：
#define SYSG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)
它初始化一個(gè)中斷門透葛，權(quán)限是DPL3, 因此從用戶態(tài)是允許發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用的笨使。
我們調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，不大可能自已手寫匯編代碼僚害，都是通過glibc來調(diào)用硫椰，基本流程是保存參數(shù)到寄存器，然后保存系統(tǒng)調(diào)用向量號(hào)到
eax寄存器，然后調(diào)用int 0x80進(jìn)入內(nèi)核態(tài)最爬，切換到內(nèi)核棧涉馁，將用戶態(tài)時(shí)的ss/sp/eflags/cs/ip/error code依次壓入內(nèi)核棧。-
entry_INT80_32系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷處理程序ENTRY(entry_INT80_32) ASM_CLAC pushl %eax /* pt_regs->orig_ax */ SAVE_ALL pt_regs_ax=$-ENOSYS switch_stacks=1 /* save rest */ TRACE_IRQS_OFF movl %esp, %eax call do_int80_syscall_32 .Lsyscall_32_done: ... .Lirq_return: INTERRUPT_RETURN ... ENDPROC(entry_INT80_32)我們略去了中間的一些細(xì)節(jié)部分爱致，可以看到首先將中斷向量號(hào)壓棧烤送，再保存所有當(dāng)前的寄存器值到
pt_regs, 保存當(dāng)前棧指針到%eax寄存器，最后再調(diào)用do_int80_syscall_32, 這個(gè)函數(shù)中就會(huì)執(zhí)行具體的中斷處理糠悯，然后INTERRUPT_RETURN恢復(fù)棧帮坚，作好返回用戶態(tài)的準(zhǔn)備。 do_int80_syscall_32調(diào)用do_syscall_32_irqs_on,我們看一下其實(shí)現(xiàn)：
static __always_inline void do_syscall_32_irqs_on(struct pt_regs *regs)
{
struct thread_info *ti = current_thread_info();
unsigned int nr = (unsigned int)regs->orig_ax;
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
ti->status |= TS_COMPAT;
#endif
if (READ_ONCE(ti->flags) & _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY) {
nr = syscall_trace_enter(regs);
}
if (likely(nr < IA32_NR_syscalls)) {
nr = array_index_nospec(nr, IA32_NR_syscalls);
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](regs);
#else
regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](
(unsigned int)regs->bx, (unsigned int)regs->cx,
(unsigned int)regs->dx, (unsigned int)regs->si,
(unsigned int)regs->di, (unsigned int)regs->bp);
#endif /* CONFIG_IA32_EMULATION */
}
syscall_return_slowpath(regs);
}
通過中斷向量號(hào)nr從ia32_sys_call_table中斷向量表中索引到具體的中斷處理函數(shù)然后調(diào)用之互艾，其結(jié)果最終合存入%eax寄存器试和。
一圖以蔽之
硬件中斷的實(shí)現(xiàn)
硬件中斷的IDT初始化和調(diào)用流程
這里我們不講解具體的代碼細(xì)節(jié)，只關(guān)注流程 纫普。
硬件中斷相關(guān)IDT的初始化也是在Linux啟動(dòng)時(shí)完成阅悍，在start_kernel中通過調(diào)用init_IRQ完成，我們來看一下：
void __init init_IRQ(void)
{
int i;
for (i = 0; i < nr_legacy_irqs(); i++)
per_cpu(vector_irq, 0)[ISA_IRQ_VECTOR(i)] = irq_to_desc(i);
BUG_ON(irq_init_percpu_irqstack(smp_processor_id()));
x86_init.irqs.intr_init(); // 即調(diào)用 native_init_IRQ
}
void __init native_init_IRQ(void)
{
/* Execute any quirks before the call gates are initialised: */
x86_init.irqs.pre_vector_init();
idt_setup_apic_and_irq_gates();
lapic_assign_system_vectors();
if (!acpi_ioapic && !of_ioapic && nr_legacy_irqs())
setup_irq(2, &irq2);
}
重點(diǎn)在于idt_setup_apic_and_irq_gates:
*/
void __init idt_setup_apic_and_irq_gates(void)
{
int i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR;
void *entry;
idt_setup_from_table(idt_table, apic_idts, ARRAY_SIZE(apic_idts), true);
for_each_clear_bit_from(i, system_vectors, FIRST_SYSTEM_VECTOR) {
entry = irq_entries_start + 8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR);
set_intr_gate(i, entry);
}
}
其中的set_intr_gate用來初始化硬件相關(guān)的調(diào)用門昨稼，其對(duì)應(yīng)的中斷門處理函數(shù)在irq_entries_start中定義节视，它位于arch/x86/entry/entry_64.S中：
.align 8
ENTRY(irq_entries_start)
vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR
.rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
UNWIND_HINT_IRET_REGS
pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */
jmp common_interrupt
.align 8
vector=vector+1
.endr
END(irq_entries_start)
這段匯編實(shí)現(xiàn)對(duì)不大熟悉匯編的同學(xué)可能看起來有點(diǎn)暈，其實(shí)很簡(jiǎn)單它相當(dāng)于填充一個(gè)中斷處理函數(shù)的數(shù)組假栓，填充多少次呢? (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)這就是次數(shù)寻行，數(shù)組的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)：
UNWIND_HINT_IRET_REGS
pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */
jmp common_interrupt
即先將中斷號(hào)壓棧，然后跳轉(zhuǎn)到common_interrupt執(zhí)行匾荆，可以看到這個(gè)common_interrupt是硬件中斷的通用處理函數(shù)拌蜘，它里面最主要的就是調(diào)用do_IRQ:
__visible unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
struct irq_desc * desc;
/* high bit used in ret_from_ code */
unsigned vector = ~regs->orig_ax;
entering_irq();
/* entering_irq() tells RCU that we're not quiescent. Check it. */
RCU_LOCKDEP_WARN(!rcu_is_watching(), "IRQ failed to wake up RCU");
desc = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);
if (likely(!IS_ERR_OR_NULL(desc))) {
if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32))
handle_irq(desc, regs);
else
generic_handle_irq_desc(desc);
} else {
ack_APIC_irq();
if (desc == VECTOR_UNUSED) {
pr_emerg_ratelimited("%s: %d.%d No irq handler for vector\n",
__func__, smp_processor_id(),
vector);
} else {
__this_cpu_write(vector_irq[vector], VECTOR_UNUSED);
}
}
exiting_irq();
set_irq_regs(old_regs);
return 1;
}
首先根據(jù)中斷向量號(hào)獲取到對(duì)應(yīng)的中斷描述符irq_desc, 然后調(diào)用generic_handle_irq來處理：
static inline void generic_handle_irq_desc(struct irq_desc *desc)
{
desc->handle_irq(desc);
}
這里最終會(huì)調(diào)用到中斷描述符的handle_irq，因此另一個(gè)重點(diǎn)就是這個(gè)中斷描述符的設(shè)置了牙丽，它可以單開一篇文章來講简卧，我們暫不詳述了。
