【自制操作系统08】中断

由于中断这块的知识和代码都占较大篇幅，因此分成两章来讲，本章不包含任何中断的代码，只讲理论部分，以及中断的大概流程。代码实现部分由下一章来讲解

【自制操作系统09】中断的代码实现

一、到目前为止的程序流程图

为了让大家清楚目前的程序进度，画了到目前为止的程序流程图，如下。

二、什么是中断

这里我们先从形象的角度来描述，中断就是让操作系统停止手中正在进行的工作，先把中断信号对应的处理程序执行完毕，再回到之前的程序中继续进行，这样一个机制。

一个很形象的说法是，我们的操作系统就是 中断驱动 的，可以把操作系统简单理解为一个 死循环，无时无刻不在等待中断的来临，被动 地执行相应的任务。

while(true){
    操作系统代码
}

三、中断的分类

外部中断

外部中断通过两个引脚连接到 CPU 上，一个是可屏蔽中断 INTR，一个是不可屏蔽中断 NMI

• INTR：硬盘、打印机、网卡等设备发出的中断信号，可通过 eflags 寄存器的 IF 位将所有这些外部设备的中断屏蔽
• NMI：电源掉电、内存读写错误、总线奇偶校验错误等灾难性的错误，不可屏蔽，CPU 必须立刻处理

对于可屏蔽中断，Linux 的处理方式是分成 上半部 和 下半部。上半部执行时关闭中断，立刻执行完毕；下半部执行时打开中断，此时如果有其他中断进来，则让给其他中断（也是上半部执行完毕）。

内部中断

内部中断可分为 软中断 和 异常，二者均是不可屏蔽的（即不受 eflags 的 IF 位影响）

• 软中断：就是软件发起的中断，最常见的也是我们之后进行系统调用的，就是 int 8位立即数，可表示 256 中中断。还有一些不常用的，甚至可以叫做异常，下面简单列出
  • int3：中断向量号3，调试断点指令
  • into：中断向量号4，中断溢出指令
  • bound：中断向量号5，检查数组索引越界指令
  • ud2：中断向量号6，未定义指令，常用于软件测试中主动发起这个中断
• 异常：指令执行期间 CPU 内部产生的错误引起，如分母为 0 将发起 6 号中断（异常），未定义的指令发起 6 号中断
  • Fault（故障）：可恢复的错误。发生此中断时，CPU 将机器状态恢复到异常之前的状态，之后调用中断处理程序，结束后返回。常见的如 缺页异常
  • Trap（陷阱）：有意的异常。通常是调试程序中用 int3 指令主动触发。
  • Abort（终止）：不可恢复的异常。直接将此程序从进程表中去掉。

四、中断号

我们知道一个中断对应着一个 中断号（中断向量号），下面列表说明

中断号	含义	来源	类型	是否有错误码
0	divide error	DIV and IDIV instructions	Fault	无
1	debug	any code or data reference	Fault/Trap	无
2	NMI Interrupt	NMI	Interrupt	无
3	Breakpoint	INT3 instruction	Trap	无
4	Overflow	INTO instruction	Trap	无
5	bound range exceeded	BOUND instruction	Fault	无
6	invalid opcode	UD2 instruction or reserved opcode.1	Fault	无
7	device not available	floationg-point or WAIT/FWAIT instruction	Fault	无
8	double fault	any instruction that can generate an exception, an NMI, or an INTR	Fault	Y(0)
9	CoProcessor Segment Overrun	Floating-point instruction.2	Fault	无
10	invalid TSS	task switch or TSS access	Fault	Y
11	segment not present	loading segment registers or accessing system segments	Fault	Y
12	stack segment fault	stack operations and SS register loads	Fault	Y
13	general protection	any memory reference and other protection checks	Fault	Y
14	page fault	any memory reference	Fault	Y
15		reserved
16	floating-point error	floating-point or WAIT/FWAIT instruction	Fault	无
17	alignment check	any data refrence in memory.3	Fault	Y(0)
18	machine check	error codes and source are model dependent.4	Fault	无
19	SIMD floating-point exception	SIMD floating-point instruction5	Fault	无
20-31	reserved
32-255	maskable interrupts	External Interrupt from INTR pin or INT n instruction	Interrupt	无

五、中断描述符表 IDT

我们先来回顾一下上一讲 【自制操作系统07】深入浅出特权级 说的四种门描述符

门	type值	存在位置	用法
任务门	0101	GDT、LDT、IDT	与TSS配合实现任务切换，不过大多数操作系统都不这么玩
中断门	1110	IDT	进入中断后屏蔽中断（eflags的IF位置0），linux利用此实现系统调用，int 0x80
陷阱门	1111	IDT	进入中断后不屏蔽中断
调用门	1100	GDT、LDT	用户用call或jmp指令从用户进程进入0特权级

你看，正如上一讲所说，中断门进入后先是屏蔽了中断，也就是中断例程的 上半部，程序中可以随时打开中断，也就自然到了 下半部，这就是 linux 系统的处理方式。

如何找到中断描述符表呢？你猜的没错，正如找 段描述符表，页表 等一样，有个 IDTR 寄存器存储它的位置（0-15位是表界限，16-47位表示表基址），有个 lidt 指令负责加载 IDTR。经典做法，我们见过太多次了，就不多说啦，不理解的可以从本系列开头开始看哟。

六、中断处理过程

上图就表示了整个中断处理的过程，不过还有几处图中没有显示

特权级检查：CPL <= 门描述符DPL && CPL > 目标代码段DPL

栈的处理：将 CS、EIP、EFLAGS、SS、ESP 寄存器的值压入中断处理程序使用的栈

七、8259A芯片

我们之前说过，外部设备发出中断信号，进入 CPU 的 INT 引脚上。但如果有多个外部设备近乎同时发送中断信号，CPU 先处理哪一个呢？未被处理的中断信号又记录在哪里呢？这时候就需要有个 中间的代理设备 来负责这个事情。

这个代理设备叫做 可编程中断控制器 PIC，其中 8259A 芯片是最常见的一种，我们这里把它的内部结构展示出来，由于是硬件相关，就不展开细说了，但由于之后要为其进行编程，所以大家先有个印象。

八、中断代码实现

由于到此篇幅过长，且中断代码的实现也是需要很大篇幅描述的，包括 可编程中断控制器的初始化，IDT 的初始化，以及中断例程代码的编写，所以将放在下一章进行讲解。

【自制操作系统09】中断的代码实现

写在最后：开源项目和课程规划

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参考书籍

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目前的系列包括

• 【自制操作系统01】硬核讲解计算机的启动过程
• 【自制操作系统02】环境准备与启动区实现
• 【自制操作系统03】读取硬盘中的数据
• 【自制操作系统04】从实模式到保护模式
• 【自制操作系统05】开启内存分页机制
• 【自制操作系统06】终于开始用 C 语言了，第一行内核代码！
• 【自制操作系统07】深入浅出特权级