LinuxKernel内核百炼成神之渡劫中断贰

Posted 2022-01-30 鸿渐之翼

LinuxKernel内核百炼成神——中断

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LinuxKernel内核源码分析——内存管理
LinuxKernel内核百炼成神【壹】

一、中断向量及汇编指令

1、中断向量

Intel x86系列机器共支持256种向量中断，Intel用一个8位无符号整数叫做一个向量，因此也叫中断向量。所有256种中断可分为两大类：异常和中断，异常又称为故障和陷阱；中断又分为外部可屏蔽中断和外部非屏蔽中断，所有I/O设备产生的中断请求均引起屏蔽中断。
非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的，而屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的编程来改变。Linux对256个向量分配：从0-31的向量对应于异常和非屏蔽中断；从32-47的向量分配给屏蔽中断（即I/O设备引起中断）；从48-255向量用来标识软中断。Linux只用其中一个用来实现系统调用（128或0x80向量）。当用户态下的进程执行一条int 0x80汇编指令，CPU就切换到内核态，并开始执行system_call()内核函数。

2、外设可屏蔽中断

Intel x86通过两片中断控制器8258A来响应16个外中断源，每个8259A可管理 8个中断源。第1级（称主片）的第2个中断请求输入端，与第2个9258A（称从片）的中断输出端INT相连，级连8259A中断机构架构如下：

中断控制器执行操作：

a、监视中断线，检查产生的中断请求（IRQ）信号；
b、如果在中断线上产生了一个中断请求信号：
b1.把接受到的IRQ信号转换成一个对应的向量；
b2.把这个向量存放在中断控制器的一个I/O端口，从而允许CPU通过数据总结读这个向量；
b3.把产生的信号发送到CPU的INTR管脚----即发出一个中断；
b4.等待，直到CPU确认这个中断信号，然后把它写进可编程中断控制器PIC的一个I/O端口，清INTR线。
c、返回到第一次。

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异常情况。

表示门描述符的类型：任务门（101）、中断门（110）、陷阱门（111）、系统门（用来让用户态的进程访问intel陷阱门）
3、汇编指令
a.调用过程指令CALL（指令格式：CALL 过程名）
b.调用中断过程指令 INT（指令格式：INT 中断向量）
c.调用溢出处理程序的指令INTO（指令格式：INTO）
d.中断返回指令（指令格式：IRET------>与中断调用过程相反EIP CS EFLAGS寄存器内核从栈中弹出）
e.加载中断描述符表的指令LIDT（指令格式：LIDT 48位的伪描述符）

二、异常处理与中断处理

Linux利用异常来达到两个不同目的：给进程发送一个信号以通报一个反常情况；处理请求分布。内核对异常处理程序调用有一个标标准，由3个部分组成：在内核栈中保存大多数寄存器的内容（由汇编语言进行实现）；调用C语言编写的异常处理函数；通过ret_from_exception()函数从异常退出。

1、内核栈保存寄存器值

所有异常处理程序被调用的方式比较相似，我们用handler_name来表示一个通用的异常处理程序的名称。进入异常处理程序的汇编指令，内核源码分析：

标号为jmp error_code的汇编语言片段对所有的异常处理程序都相同的。

进入异常处理程序时内核堆栈结构图如下：

2、中断请求队列机制 （中断请求队列的初始化）

Linux设计架构的时候，专门为每个中断请求IRQ设置一个完整队列，我们可以把它称为中断请求队列。中断线、中断请求号（IRQ）及中断向量之间的关系：中断线是中断请求的一个物理描述，逻辑上对应一个中断请求号（中断号），第x个中断号（IRQx）的缺省中断向量为x+32。
在256个中断向量中，除32个分配给异常以外，还有244个作为中断向量。对于每个IRQ，Linux都有用一个irq_desc_t数据结构来描述。如下对应内核源码：

三、后半部分机制及数据结构

1、为什么把中断分为两部分处理

内核把中断分成两个部分：前半部分和后半部分，前半部分内核立即执行，而后半部分稍后处理。中断分割如下图所示：

首先，一个快速的"前半部分"来处理硬件发出的请求，它必须在一个新的中断产生之前终止。：后半部分：来运行：允许一个普通的内核函数，而不仅仅是服务于中断的一个函数，能以后半部分的身份来运行；允许几个普通的内核函数合在一块作为一个后半部分来运行。后半部分运行时是允许中断请求，而前半部分运行时是关中断的。
Linux内核为将中断服务分为两部分提供方便，并设立相应的机制。新版本内核叫软中断机制（softirq）

二、软中断/tasklet/后半部分执行

软中断机制也是推迟内核函数的执行。tasklet建立在软中断之上，同一个tasklet只能运行在一个CPU上，而不同的tasklet可以同时运行在不同的CPU上。
软中断处理机制之前，数据结构在内核源码展现，软中断本身是一种机制，同时也是一种基本框架。此框架包含bh机制，也包含tasklet机制，具体内核定义的软件中断源码如下：

其中NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ两个软中断是专为网络操作而设计的，而HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ是针对bh和tasklet而设计的软中断。

2、软中断向量：

3、软中断控制/状态结构

softirq_vec[]是一个全局量，系统中每个CPU所看到的是同一个数组，但是，每个CPU各有自己的”软中断控制状态”结构。irq_stat[]数组是一个全局量，但是各个CPU可以按自身的编号访问相应的域，内核源码如下：

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