中斷及中斷處理過程

Intel的官方文檔里將中斷和異常理解為兩種中斷當(dāng)前程序執(zhí)行的不同機(jī)制。這是中斷和異常的共同點。不同點在于：

中斷(interrupt)是異步的事件，典型的比如由I/O設(shè)備觸發(fā)；異常(exception)是同步的事件，典型的比如處理器執(zhí)行某條指令時發(fā)現(xiàn)出錯了等等。

中斷又可以分為可屏蔽中斷和非可屏蔽中斷，異常又分為故障、陷阱和異常中止3種，它們的具體區(qū)別很多書籍和官方文檔都解釋的比較清楚這里不再贅述。

關(guān)于它們的區(qū)別有兩點是需要注意的：

1）平常所說的屏蔽中斷是不包括異常的，即異常不會因為CPU的IF位被清（關(guān)中斷，指令：cli）而受影響，比如缺頁異常，即使關(guān)了中斷也會觸發(fā)CPU的處理。

2）通常說的int 80h這種系統(tǒng)調(diào)用使用的中斷方式實際上硬件上是理解為異常處理的，因此也不會被屏蔽掉，這也很好理解，int 80h這種中斷方式是程序里主動觸發(fā)的，對于CPU來說屬于同步事件，因此也就屬于異常的范疇。

2. 中斷（異常）處理過程

需要明確的一點是CPU對于中斷和異常的具體處理機(jī)制本質(zhì)上是完全一致的，即：

當(dāng)CPU收到中斷或者異常的信號時，它會暫停執(zhí)行當(dāng)前的程序或任務(wù)，通過一定的機(jī)制跳轉(zhuǎn)到負(fù)責(zé)處理這個信號的相關(guān)處理程序中，在完成對這個信號的處理后再跳回到剛才被打斷的程序或任務(wù)中。這里只描述保護(hù)模式下的處理過程，搞清楚了保護(hù)模式下的處理過程（更復(fù)雜），實模式下的處理機(jī)制也就容易理解了。

具體的處理過程如下：

0）中斷響應(yīng)的事前準(zhǔn)備：

系統(tǒng)要想能夠應(yīng)對各種不同的中斷信號，總的來看就是需要知道每種信號應(yīng)該由哪個中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)以及這些中斷服務(wù)程序具體是如何工作的。系統(tǒng)只有事前對這兩件事都知道得很清楚，才能正確地響應(yīng)各種中斷信號和異常。

[a]系統(tǒng)將所有的中斷信號統(tǒng)一進(jìn)行了編號（一共256個：0～255），這個號稱為中斷向量，具體哪個中斷向量表示哪種中斷有的是規(guī)定好的，也有的是在給定范圍內(nèi)自行設(shè)定的。

中斷向量和中斷服務(wù)程序的對應(yīng)關(guān)系主要是由IDT（中斷向量表）負(fù)責(zé)。操作系統(tǒng)在IDT中設(shè)置好各種中斷向量對應(yīng)的中斷描述符（一共有三類中斷門描述符：任務(wù)門、中斷門和陷阱門），留待CPU查詢使用。而IDT本身的位置是由idtr保存的，當(dāng)然這個地址也是由OS填充的。

[b]中斷服務(wù)程序具體負(fù)責(zé)處理中斷（異常）的代碼是由軟件，也就是操作系統(tǒng)實現(xiàn)的，這部分代碼屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼。也就是說從CPU檢測中斷信號到加載中斷服務(wù)程序以及從中斷服務(wù)程序中恢復(fù)執(zhí)行被暫停的程序，這個流程基本上是硬件確定下來的，而具體的中斷向量和服務(wù)程序的對應(yīng)關(guān)系設(shè)置和中斷服務(wù)程序的內(nèi)容是由操作系統(tǒng)確定的。

1）CPU檢查是否有中斷/異常信號

CPU在執(zhí)行完當(dāng)前程序的每一條指令后，都會去確認(rèn)在執(zhí)行剛才的指令過程中中斷控制器（如：8259A）是否發(fā)送中斷請求過來，如果有那么CPU就會在相應(yīng)的時鐘脈沖到來時從總線上讀取中斷請求對應(yīng)的中斷向量[2]。

對于異常和系統(tǒng)調(diào)用那樣的軟中斷，因為中斷向量是直接給出的，所以和通過IRQ（中斷請求）線發(fā)送的硬件中斷請求不同，不會再專門去取其對應(yīng)的中斷向量。

2）根據(jù)中斷向量到IDT表中取得處理這個向量的中斷程序的段選擇符

CPU根據(jù)得到的中斷向量到IDT表里找到該向量對應(yīng)的中斷描述符，中斷描述符里保存著中斷服務(wù)程序的段選擇符。

3）根據(jù)取得的段選擇符到GDT中找相應(yīng)的段描述符

CPU使用IDT查到的中斷服務(wù)程序的段選擇符從GDT中取得相應(yīng)的段描述符，段描述符里保存了中斷服務(wù)程序的段基址和屬性信息，此時CPU就得到了中斷服務(wù)程序的起始地址。

這里，CPU會根據(jù)當(dāng)前cs寄存器里的CPL和GDT的段描述符的DPL，以確保中斷服務(wù)程序是高于當(dāng)前程序的，如果這次中斷是編程異常（如：int 80h系統(tǒng)調(diào)用），那么還要檢查CPL和IDT表中中斷描述符的DPL，以保證當(dāng)前程序有權(quán)限使用中斷服務(wù)程序，這可以避免用戶應(yīng)用程序訪問特殊的陷阱門和中斷門[3]。

4）CPU根據(jù)特權(quán)級的判斷設(shè)定即將運行的中斷服務(wù)程序要使用的棧的地址

CPU會根據(jù)CPL和中斷服務(wù)程序段描述符的DPL信息確認(rèn)是否發(fā)生了特權(quán)級的轉(zhuǎn)換，比如當(dāng)前程序正運行在用戶態(tài)，而中斷程序是運行在內(nèi)核態(tài)的，則意味著發(fā)生了特權(quán)級的轉(zhuǎn)換，這時CPU會從當(dāng)前程序的TSS信息（該信息在內(nèi)存中的首地址存在TR寄存器中）里取得該程序的內(nèi)核棧地址，即包括ss和esp的值，并立即將系統(tǒng)當(dāng)前使用的棧切換成新的棧。這個棧就是即將運行的中斷服務(wù)程序要使用的棧。緊接著就將當(dāng)前程序使用的ss,esp壓到新棧中保存起來。

6）保護(hù)當(dāng)前程序的現(xiàn)場

CPU開始利用棧保護(hù)被暫停執(zhí)行的程序的現(xiàn)場：依次壓入當(dāng)前程序使用的eflags，cs，eip，errorCode（如果是有錯誤碼的異常）信息。

官方文檔[1]給出的棧變化的示意圖如下：

7）跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的第一條指令開始執(zhí)行

CPU利用中斷服務(wù)程序的段描述符將其第一條指令的地址加載到cs和eip寄存器中，開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這意味著先前的程序被暫停執(zhí)行，中斷服務(wù)程序正式開始工作。

8）中斷服務(wù)程序處理完畢，恢復(fù)執(zhí)行先前中斷的程序

在每個中斷服務(wù)程序的最后，必須有中斷完成返回先前程序的指令，這就是iret（或iretd）。程序執(zhí)行這條返回指令時，會從棧里彈出先前保存的被暫停程序的現(xiàn)場信息，即eflags,cs,eip重新開始執(zhí)行。