Linux的中断和系统调用 & espeip等寄存器

Posted 2020-09-01 笨鸟居士的博客

http://www.linuxidc.com/Linux/2012-11/74486.htm

一共三篇

 

中断一般分为三类：

1、由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断；

2、由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（这也是和我们将要说明的系统调用相关的中断）；

3、由外部设备请求引起的中断，称为外部中断。简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。

 

当发生软件中断时，其他所有的中断都可能发生并被处理；但当发生磁盘中断时，就只有时钟中断和机器错误中断能被处理了。

 

用户态和核心态之间的区别是什么呢？（以下区别摘至《UNIX操作系统设计》）

1、用户态的进程能存取它们自己的指令和数据，但不能存取内核指令和数据（或其他进程的指令和数据）。然而，核心态下的进程能够存取内核和用户地址

2、某些机器指令是特权指令，在用户态下执行特权指令会引起错误

对此要理解的一个是，在系统中内核并不是作为一个与用户进程平行的估计的进程的集合，内核是为用户进程运行的。

 

内核自己的栈这在最上层的1G的地址空间内，这是只能由内核访问的部分。

 

http://www.cnblogs.com/txlstars/p/5401033.html

用户态：Ring3运行于用户态的代码则要受到处理器的诸多检查，它们只能访问映射其地址空间的页表项中规定的在用户态下可访问页面的虚拟地址，且只能对任务状态段（TSS）中I/O许可位图（I/O Permission Bitmap）中规定的可访问端口进行直接访问。

内核态：Ring0在处理器的存储保护中，核心态，或者特权态（与之相对应的是用户态），是操作系统内核所运行的模式。运行在该模式的代码，可以无限制地对系统存储、外部设备进行访问。

 

二、什么情况下会发生从用户态向内核态切换。这里细分为3种情况。

1、发生系统调用时

      这是处于用户态的进程主动请求切换到内核态的一种方式。用户态的进程通过系统调用申请使用操作系统提供的系统调用服务例程来处理任务。而系统调用的机制，其核心仍是使用了操作系统为用户特别开发的一个中断机制来实现的，即软中断。

2、产生异常时

      当CPU执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行的进程切换到处理此异常的内核相关的程序中，也就是转到了内核态，如缺页异常。

3、外设产生中断时

      当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作的完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。    
       可以看到上述三种由用户态切换到内核态的情况中，只有系统调用是进程主动请求发生切换的，中断和异常都是被动的。

 

具体的切换操作，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别。

涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：

[1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

[2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。

[3] 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。

 

关于esp, eip

http://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/37912417

1.EIP寄存器里存储的是CPU下次要执行的指令的地址。

 也就是调用完fun函数后，让CPU知道应该执行main函数中的printf（"函数调用结束"）语句了。

2.EBP寄存器里存储的是是栈的栈底指针，通常叫栈基址，这个是一开始进行fun()函数调用之前，由ESP传递给EBP的。（在函数调用前你可以这么理解：ESP存储的是栈顶地址，也是栈底地址。）

3.ESP寄存器里存储的是在调用函数fun()之后，栈的栈顶。并且始终指向栈顶。

 

等到调用结束，EBP会把其地址再次传回给ESP。所以ESP又一次指向了函数调用结束后，栈顶的地址。

 

更多关于寄存器的内容，需要看这里：

http://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/37912683

4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)
2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP)
6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)
1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags)

 

32位CPU有4个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。这些
低16位寄存器分别命名为：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。

寄存器AX和AL通常称为累加器(Accumulator)，用累加器进行的操作可能需要更少时间。累加器可用于乘、
除、输入/输出等操作，它们的使用频率很高；
寄存器BX称为基地址寄存器(Base Register)。它可作为存储器指针来使用； 
寄存器CX称为计数寄存器(Count Register)。在循环和字符串操作时，要用它来控制循环次数；在位操作
中，当移多位时，要用CL来指明移位的位数；
寄存器DX称为数据寄存器(Data Register)。在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也
可用于存放I/O的端口地址。

 

2、变址寄存器

32位CPU有2个32位通用寄存器ESI和EDI。它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量，
用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。

 

CPU内部的段寄存器：

CS——代码段寄存器(Code Segment Register)，其值为代码段的段值；
DS——数据段寄存器(Data Segment Register)，其值为数据段的段值；
ES——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值；
SS——堆栈段寄存器(Stack Segment Register)，其值为堆栈段的段值；
FS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值；
GS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值。