Linux中断一网打尽(2) - IDT及中断处理的实现

通过阅读本文，您可以了解到：IDT是什么，它如何被初始化，什么是门，传统系统调用是如何实现的，以及硬件中断的实现。

IDT 中断描述符表定义

中断描述符表简单来说说是定义了发生中断/异常时，CPU按这张表中定义的行为来处理对应的中断/异常。

#define IDT_ENTRIES 256

gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES] __page_aligned_bss;

从上面我们可以知道，其包含了256项，它是一个gate_desc的数据，其下标0-256就表示中断向量，gate_desc我们在下面马上介绍。

中断描述符项定义

当中断发生，cpu获取到中断向量后，查找IDT中断描述符表得到相应的中断描述符，再根据中断描述符记录的信息来作权限判断，运行级别转换，最终调用相应的中断处理程序。这里涉及到Linux kernel的分段式内存管理，我们这里不详细展开，有兴趣的同学可以自行学习。如下简述之：

1. 我们知道CPU只认识逻辑地址，逻辑地址经分段处理转换成线性地址，线性地址经分页处理最终转换成物理地址，这样就可以从内存中读取了；

2. 逻辑地址你可以简单认为就是CPU执行代码时从CS(代码段寄存器) ：IP （指令计数寄存器）中加载的代码，实际上通过CS可以得到逻辑地址的基地址，再加上IP这个相对于基地址的偏移量，就得到真正的逻辑地址；

3. CS寄存器16位，它不会包含真正的基地址，它一般被称为段选择子，包括一个index索引，指向GDT或 LDT的一项；一个指示位，指示index索引是属于GDT还是LDT; 还有CPL, 表明当前代码运行权限；

4. GDT: 全局描述符表，每一项记录着相应的段基址，段大小，段的访问权限DPL等，到这里终于可以获取到段基地址了，再加上之前IP寄存器里存放的偏移量，真正的逻辑地址就有了。

我们先看中断描述符的定义：

struct gate_struct {

u16 offset_low;

u16 segment;

struct idt_bits bits;

u16 offset_middle;

#ifdef CONFIG_X86_64

u32 offset_high;

u32 reserved;

#endif

} __attribute__((packed));

其中：

1. offset_high,offset_middle和offset_low合起来就是中断处理函数地址的偏移量；

2. segment就是相应的段选择子，根据它在GDT中查找可以最终获取到段基地址；

3. bits是该中断描述符的一些属性值：

struct idt_bits {

u16 ist : 3,

zero : 5,

type : 5,

dpl : 2,

p : 1;

} __attribute__((packed));

ist表示此中断处理函数是使用pre-cpu的中断栈，还是使用IST的中断栈;

type表示所中断是何种类型，目前有以下四种：

enum {

GATE_INTERRUPT = 0xE, //中断门

GATE_TRAP = 0xF, // 陷入门

GATE_CALL = 0xC, // 调用门

GATE_TASK = 0x5, // 任务门

};

门的概念这里主要用作权限控制，我们从一个区域进到另一个区域需要通过一扇门，有门禁权限才可以通过，因此 dpl就是这个权限，实际中我们一般称为RPL；

我们后面会通过一个例子来讲一下CPL,RPL和DPL三者之间的关系。

IDT中断描述符本身的存储

IDT 中断描述符表的物理地址存储在IDTR寄存器中，这个寄存器存储了IDT的基地址和长度。查询时，从 IDTR 拿到 base address ，加上向量号 * IDT entry size，即可以定位到对应的表项(gate)。

设置IDT

• 设置中断门类型的IDT描述符：

static void set_intr_gate(unsigned int n, const void *addr)

{

struct idt_data data;

BUG_ON(n > 0xFF);

memset(&data, 0, sizeof(data));

data.vector = n; // 中断向量

data.addr = addr; // 中断处理函数的地址

data.segment = __KERNEL_CS; // 段选择子

data.bits.type = GATE_INTERRUPT; // 类型

data.bits.p = 1;

idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false);

}

上面的函数主要是填充好idt_data，然后调用idt_setup_from_table;

static void

idt_setup_from_table(gate_desc *idt, const struct idt_data *t, int size, bool sys)

{

gate_desc desc;

for (; size > 0; t++, size--) {

idt_init_desc(&desc, t);

write_idt_entry(idt, t->vector, &desc);

if (sys)

set_bit(t->vector, system_vectors);

}

}

首先使用 idt_data结构来填充中断描述符变量idt_init_desc, 然后将这个中断描述符变量copy进idt_table。

看，就是这么简单~~~

• gate_desc的多种初始化方法：

  因为gate_desc是通过ida_dat填充的，所以这里关键是idt_data的初始化，我们详细看一下：

/* Interrupt gate

中断门，DPL = 0

只能从内核调用

*/

#define INTG(_vector, _addr) \

G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)

/* System interrupt gate

系统中断门，DPL = 3

可以从用户态调用，比如系统调用

*/

#define SYSG(_vector, _addr) \

G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)

/*

* Interrupt gate with interrupt stack. The _ist index is the index in

* the tss.ist[] array, but for the descriptor it needs to start at 1.

中断门, DPL = 0

只能从内核态调用，使用TSS.IST[]作为中断栈

*/

#define ISTG(_vector, _addr, _ist) \

G(_vector, _addr, _ist + 1, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)

/* Task gate

任务门， DPL = 0

只能作内核态调用

*/

#define TSKG(_vector, _gdt) \

G(_vector, NULL, DEFAULT_STACK, GATE_TASK, DPL0, _gdt << 3)

我们再来看下G这个宏的实现：

#define G(_vector, _addr, _ist, _type, _dpl, _segment) \

{ \

.vector = _vector, \

.bits.ist = _ist, \

.bits.type = _type, \

.bits.dpl = _dpl, \

.bits.p = 1, \

.addr = _addr, \

.segment = _segment, \

}

实际上就是填充idt_data的各个字段。

这里所说的传统系统调用主要指旧的32位系统使用 int 0x80软件中断来进入内核态，实现的系统调用。因为这种传统系统调用方式需要进入内核后作权限验证，还要切换内核栈后作大量压栈方式，调用结束后清理栈作恢复，两个字太慢，后来CPU从硬件上支持快速系统调用sysenter/sysexit, 再后来又发展到syscall/sysret， 这两种都不需要通过中断方式进入内核态，而是直接转换到内核态，速度快了很

传统系统调用相关IDT的设置

Linux系统启动过程中内核压解后最终都调用到start_kernel, 在这里会调用trap_init, 然后又会调用idt_setup_traps:

void __init idt_setup_traps(void)

{

idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);

}

我们来看这里的def_idts的定义：

static const __initconst struct idt_data def_idts[] = {

....

#if defined(CONFIG_IA32_EMULATION)

SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_compat),

#elif defined(CONFIG_X86_32)

SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32),

#endif

};

上面的SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)就是设置系统调用的异常中断处理程序，其中  #define IA32_SYSCALL_VECTOR 0x80

再看一下SYSG的定义：

#define SYSG(_vector, _addr) \

G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)

它初始化一个中断门，权限是DPL3, 因此从用户态是允许发起系统调用的。

我们调用系统调用，不大可能自已手写汇编代码，都是通过glibc来调用，基本流程是保存参数到寄存器，然后保存系统调用向量号到eax寄存器，然后调用int 0x80进入内核态，切换到内核栈，将用户态时的ss/sp/eflags/cs/ip/error code依次压入内核栈。

entry_INT80_32系统调用对应的中断处理程序：

ENTRY(entry_INT80_32)

ASM_CLAC

pushl %eax /* pt_regs->orig_ax */

SAVE_ALL pt_regs_ax=$-ENOSYS switch_stacks=1 /* save rest */

TRACE_IRQS_OFF

movl %esp, %eax

call do_int80_syscall_32

.Lsyscall_32_done:

...

.Lirq_return:

INTERRUPT_RETURN

...

ENDPROC(entry_INT80_32)

我们略去了中间的一些细节部分，可以看到首先将中断向量号压栈，再保存所有当前的寄存器值到pt_regs, 保存当前栈指针到%eax寄存器，最后再调用 do_int80_syscall_32, 这个函数中就会执行具体的中断处理，然后INTERRUPT_RETURN恢复栈，作好返回用户态的准备。

do_int80_syscall_32调用 do_syscall_32_irqs_on,我们看一下其实现：

static __always_inline void do_syscall_32_irqs_on(struct pt_regs *regs)

{

struct thread_info *ti = current_thread_info();

unsigned int nr = (unsigned int)regs->orig_ax;

#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION

ti->status |= TS_COMPAT;

#endif

if (READ_ONCE(ti->flags) & _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY) {

nr = syscall_trace_enter(regs);

}

if (likely(nr < IA32_NR_syscalls)) {

nr = array_index_nospec(nr, IA32_NR_syscalls);

#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION

regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](regs);

#else

regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](

(unsigned int)regs->bx, (unsigned int)regs->cx,

(unsigned int)regs->dx, (unsigned int)regs->si,

(unsigned int)regs->di, (unsigned int)regs->bp);

#endif /* CONFIG_IA32_EMULATION */

}

syscall_return_slowpath(regs);

}

通过中断向量号nr从ia32_sys_call_table中断向量表中索引到具体的中断处理函数然后调用之，其结果最终合存入%eax寄存器。

一图以蔽之：

硬件中断的IDT初始化和调用流程

这里我们不讲解具体的代码细节，只关注流程 。

硬件中断相关IDT的初始化也是在Linux启动时完成，在start_kernel中通过调用init_IRQ完成，我们来看一下：

void __init init_IRQ(void)

{

int i;

for (i = 0; i < nr_legacy_irqs(); i++)

per_cpu(vector_irq, 0)[ISA_IRQ_VECTOR(i)] = irq_to_desc(i);

BUG_ON(irq_init_percpu_irqstack(smp_processor_id()));

x86_init.irqs.intr_init(); // 即调用 native_init_IRQ

}

void __init native_init_IRQ(void)

{

/* Execute any quirks before the call gates are initialised: */

x86_init.irqs.pre_vector_init();

idt_setup_apic_and_irq_gates();

lapic_assign_system_vectors();

if (!acpi_ioapic && !of_ioapic && nr_legacy_irqs())

setup_irq(2, &irq2);

}

重点在于idt_setup_apic_and_irq_gates:

*/

void __init idt_setup_apic_and_irq_gates(void)

{

int i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR;

void *entry;

idt_setup_from_table(idt_table, apic_idts, ARRAY_SIZE(apic_idts), true);

for_each_clear_bit_from(i, system_vectors, FIRST_SYSTEM_VECTOR) {

entry = irq_entries_start + 8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR);

set_intr_gate(i, entry);

}

}

其中的set_intr_gate用来初始化硬件相关的调用门，其对应的中断门处理函数在irq_entries_start中定义，它位于arch/x86/entry/entry_64.S中：

.align 8

ENTRY(irq_entries_start)

vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR

.rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)

UNWIND_HINT_IRET_REGS

pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */

jmp common_interrupt

.align 8

vector=vector+1

.endr

END(irq_entries_start)

这段汇编实现对不大熟悉汇编的同学可能看起来有点晕，其实很简单它相当于填充一个中断处理函数的数组，填充多少次呢? (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)这就是次数，数组的每一项都是一个函数：

UNWIND_HINT_IRET_REGS

pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */

jmp common_interrupt

即先将中断号压栈，然后跳转到common_interrupt执行，可以看到这个common_interrupt是硬件中断的通用处理函数，它里面最主要的就是调用do_IRQ:

__visible unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)

{

struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);

struct irq_desc * desc;

/* high bit used in ret_from_ code */

unsigned vector = ~regs->orig_ax;

entering_irq();

/* entering_irq() tells RCU that we're not quiescent. Check it. */

RCU_LOCKDEP_WARN(!rcu_is_watching(), "IRQ failed to wake up RCU");

desc = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);

if (likely(!IS_ERR_OR_NULL(desc))) {

if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32))

handle_irq(desc, regs);

else

generic_handle_irq_desc(desc);

} else {

ack_APIC_irq();

if (desc == VECTOR_UNUSED) {

pr_emerg_ratelimited("%s: %d.%d No irq handler for vector\n",

__func__, smp_processor_id(),

vector);

} else {

__this_cpu_write(vector_irq[vector], VECTOR_UNUSED);

}

}

exiting_irq();

set_irq_regs(old_regs);

return 1;

}

首先根据中断向量号获取到对应的中断描述符irq_desc, 然后调用generic_handle_irq来处理：

static inline void generic_handle_irq_desc(struct irq_desc *desc)

{

desc->handle_irq(desc);

}

这里最终会调用到中断描述符的handle_irq，因此另一个重点就是这个中断描述符的设置了，它可以单开一篇文章来讲，我们暂不详述了。

本文转载自360云计算