linux中的中断与异常分析

广义的中断是指在CPU正常运行期间，由于内外部事件或由程序预先安排的事件引起的CPU暂时停止正在运行的程序，转而为该内部或外部事件或预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕后再返回去继续运行被暂时中断的程序。

中断描述符表是一个系统表，它与每一个中断或者异常向量相联系每个向量在表中有相应的中断或者异常处理程序的入口地址。每个描述符8个字节，共256项，占用空间2KB 。内核启动中断前，必须初始化IDT，然后把IDT的基地址装载到idtr寄存器中 int指令允许用户进程发出一个中断信号，其值可以是0－255的任意一个向量。所以，为了防止用户用int指令非法模拟中断和异常，IDT的初始化时要很小心的设置特权级，可以通过把相应描述符的DPL字段设置成0来实现。然而用户进程有时必须要能发出一个编程异常。为了做到这一点，只要把相应的中断或陷阱门描述符的特权级设置成3。

中断门

用户态的进程不能访问的一个Intel中断门(特权级为0)，所有的中断都通过中断门激活，并全部在内核态。
陷阱门

用户态的进程不能访问的一个Intel陷阱门(特权级为0)，大部分linux异常处理程序通过陷阱门激活。

系统门

用户态的进程可以访问的一个Intel陷阱门(特权级为3)，通过系统门来激活4个linux异常处理程序，它们的向量是3，4，5和128。因此，在用户态下可以发布int3，into，bound和int $0x80四条汇编指令。

异常

Intel公司保留0-31号中断向量用来处理异常事件：当产生一个异常时，处理机就会自动把控制转移到相应的处理程序的入口，异常的处理程序由操作系统提供。

其中2号为非屏蔽中断，根据异常时保存在内核堆栈中的eip的值可以进一步分为：

故障(fault)：eip=引起故障的指令的地址通常可以纠正，处理完异常时，该指令被重新执行例如缺页异常。
陷阱(trap)：eip=随后要执行的指令的地址。
异常中止(abort)：eip=？？？发生严重的错误。eip值无效，只有强制终止受影响的进程。

中断（狭义）

　0-31号中断向量被用作异常处理，则剩下32-255号中断向量共224个中断向量可以使用。这224个中断向量的分配方式即除了128号向量0x80 (SYSCALL_VECTOR)用作系统调用总入口之外，其他都用在外部硬件中断源上，包括可编程中断控制器8259A的15个irq（如下图所示）；事实上，当没有定义CONFIG_X86_IO_APIC时，其他223(除0x80外)个中断向量，只利用了从32号开始的15个，其它208个空着未用。

IRQ号与I/O设备之间的对应关系是在初始化每个设备驱动程序时建立的。系统初始化时，调用init_IRQ()函数用新的中断门替换临时中断门来更新IDT。

中断程序入口操作为：

将中断向量入栈
保存所有其他寄存器
调用do_IRQ
跳转到ret_from_intr

do_IRQ(与体系结构无关)

每一个中断号具有一个中断描述符（0-224），使用action链表连接共享同一个中断号的多个设备和中断。

irqaction的定义

struct irqaction {
    irq_handler_t handler;
    unsigned long flags;
    cpumask_t mask;
    const char *name;
    void *dev_id;
    struct irqaction *next;
    int irq;
    struct proc_dir_entry *dir;
};

irq_chip的定义（中断控制器处理例程）


struct irq_chip {
    const char    *name;
    unsigned int    (*startup)(unsigned int irq);　　//中断开始
    void        (*shutdown)(unsigned int irq);　　　　//中断关闭
    void        (*enable)(unsigned int irq);　　　　　　//中断使能
    void        (*disable)(unsigned int irq);　　　　//中断禁用

    void        (*ack)(unsigned int irq);
    void        (*mask)(unsigned int irq);
    void        (*mask_ack)(unsigned int irq);
    void        (*unmask)(unsigned int irq);
    void        (*eoi)(unsigned int irq);

    void        (*end)(unsigned int irq);
    void        (*set_affinity)(unsigned int irq, cpumask_t dest);
    int        (*retrigger)(unsigned int irq);
    int        (*set_type)(unsigned int irq, unsigned int flow_type);
    int        (*set_wake)(unsigned int irq, unsigned int on);

    /* Currently used only by UML, might disappear one day.*/
#ifdef CONFIG_IRQ_RELEASE_METHOD
    void        (*release)(unsigned int irq, void *dev_id);
#endif
    /*
     * For compatibility, ->typename is copied into ->name.
     * Will disappear.
     */
    const char    *typename;
};

do_IRQ()函数的等价代码：


	int irq = ~regs->orig_ax;		//取得对应的中断向量
	irq_desc[irq]->handle_irq(irq, desc);	//调用中断处理句柄，对8259，就是handle_level_irq
	mask_ack_irq(desc, irq);		//应答PIC的中断，并禁用这条IRQ线。(为串行处理同类型中断)
	handle_IRQ_event(irq,&regs,irq_desc[irq].action);//调用handle_IRQ_event()执行中断服务例程，例如timer_interrupt
	irq_desc[irq].handler->end(irq);	//句知PIC重新激活这条IRQ线，允许处理同类型中断
	处理下半部分				//6

一个中断服务例程实现一种特定设备的操作， handle_IRQ_evnet()函数依次调用这些设备例程，这个函数本质上执行了如下核心代码:


do{
    action->handler(irq,action->dev_id,regs);
    action = action->next;
}while (action)；

上下半部分机制

我们把中断处理切为两半。中断处理程序是上半部——接受中断，他就立即开始执行，但只有做严格时限的工作。能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去，在合适的时机，下半部分会被执行。

下半部分三种方法

软中断
tasklet
工作队列

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