os 004 中断

中断分类

外部中断

外部中断是来自CPU外部的中断，外部中断源又必须是硬件，所以外部中断又称为硬件中断。

  1. 可屏蔽中断
    通过intr引脚进入CPU，可屏蔽中断可以通过EFLAGS的IF位屏蔽掉。

  2. 不可屏蔽中断
    通过NMI引脚进入CPU，不可屏蔽中断不可以通过EFLAGS的IF位屏蔽掉。

内部中断

内部中断可分为软中断和异常。

  1. 软中断
    由软件主动发起的中断。不受IF位影响。

  2. 异常
    异常分为以下三种：

    1. FAULT 故障，比如缺页异常。
    2. TRAP 陷阱
    3. ABORT 终止

IF位只能屏蔽外部设备的中断。

指令 IF 作用
cli IF=0 关中断
sti IF=1 开中断

中断描述符表 IDT

中断描述符表是保护模式下用于存储中断处理程序入口的表，当CPU接受一个中断时，使用中断向量在这个表中检索相应的中断描述符，继而找到中断处理程序的入口地址，执行中断处理程序。

中断描述符表中可以存储中断描述符、任务们描述符、陷阱们描述符。所以中断描述符又称为门。

门都属于系统段，所以其描述符中的S字段全为0.

四种门描述符中type字段(D=0代表16位，D=32代表32位)

任务门 终端门 陷阱门 调用门
0101 D110 D111 D100

当代操作系统很少使用任务门和调用门

任务门

任务门和任务状态段（TSS）时Intel处理器在硬件一级上提供的任务切换机制。当代大多数操作系统都没有使用TSS实现任务的切换。

中断门

中断门描述符

位 作用
高32位
31-16 中断处理程序在目标段内的偏移量的31-16位
15 P
14-13 DPL
12 S=0
11-8 TYPE=D110
7-5 0
4-0 未使用
低32位
31-16 中断处理程序目标代码段描述符选择子
15-0 中断处理程序在目标段内的偏移量的15-0位

通过中断门进入中断，IF位自动置零，关中断，避免中断嵌套。中断门只存在于IDT中。

陷阱门

陷阱门描述符

位 作用
高32位
31-16 中断处理程序在目标段内的偏移量的31-16位
15 P
14-13 DPL
12 S=0
11-8 TYPE=D111
7-5 0
4-0 未使用
低32位
31-16 中断处理程序目标代码段描述符选择子
15-0 中断处理程序在目标段内的偏移量的15-0位

陷阱门与中断门不同的是IF位不会自动置0.

调用门

调用门给用户进程提供进入特权即0的方式，其DPL为3。他不能用于int指令调用，只能用call和jmp指令。调用门可以安装在GDT和LDT中。

中断描述符表寄存器 IDTR
47-16 15-0
32位的表基址 16位的表界限

GDT第零个描述符是不可用的，但是IDT的第零个描述符是可用的。

lidt[48位内存地址]

中断处理过程

中断的特权级检查

对于软件主动引发的中断，从特权级上来讲，必须符合下面的条件:
门描述符DPL<=CPL<目标代码段的DPL

对于外部设备引发的中断，只需要满足:
CPL<目标代码段的DPL

处理器根据中断向量号找到对应的中断描述符后，若CPL比目标代码段DPL低，则需要向高特权转移，需要切换到高特权级的栈。

中断发生，特权级发生变化时的新栈中的内容

31-16 15-0
0 ss_old
esp_old esp_old
eflags eflags
0 cs_old
eip_old eip_old
error_code error_code

执行完中断程序之后，使用iret进行返回。依次弹出EIP,CS,EFLAGS。所以中断返回前栈顶指针必须指向EIP_old。处理器根据弹出的CS指向的代码段描述符判断出该次中断是否进行了特权级改变，如果进行了特权级改变的话，继续将esp和ss弹出。

如果返回时改变了特权级则将会检查数据段寄存器DS,ES,FS,GS的内容，如果DPL比返回后的CPL高，则处理器会故意将该数据段寄存器的内容改为0，即指向第零个段描述符，从而使得处理器抛出异常。

中断错误码
31-16 15-3 2 1 0
保留0 选择子高13位索引 TI IDT EXT

TI=0,表示来自GDT,TI=1表示来自LDT。

IDT=1，表示选择子指向IDT。否则表示指向GDT或者LDT。

EXT=1，表示中断源时不可屏蔽中断或者外部设备，否则为0.

8259A

8259A的一些信号的寄存器

  1. INT：8259A选出优先级最高的中断请求之后，发送信号给CPU。

  2. INTA：INT acknowledge, 中断响应信号。接收来自CPU的INTA接口的中断响应信号。

  3. IMR：中断屏蔽寄存器，8位，屏蔽某个外设的中断。

  4. IRR：中断请求寄存器，8位，接受IMR过滤后的中断信号并锁存，相当于维护未处理的中断信号请求队列。

  5. PR: 优先级仲裁器。多个中断同时发生的时候找出优先级更高的中断。

  6. ISR： 中断服务寄存器，8位，保存正在被处理的中断服务。

一个8259A由8个IRQ接口，使用8位寄存器中的每一位代表一个IRQ接口。

8259A的中断处理流程

  1. 当某个外设发出一个中断信号后，由于主板已经把信号通路指向了8259A芯片的某个IRQ接口，所以该中断信号会被送入8259A。8259A先检查IMR寄存器是否屏蔽了来自该IRQ接口的中断信号，该为为1表示被屏蔽了。

  2. 将中断信号送入IRR寄存器，将该IRQ接口所在的IRR寄存器对应的位置1.

  3. PR从IRR寄存器中挑选一个优先级最大的一个中断（IRQ接口号最低的）。

  4. 通过INT接口向CPU发送INTR信号。

  5. CPU完成一条指令后，通过自己的INTA接口向8259A的INTA接口发送中断响应信号。

  6. 8259A收到CPU的中断响应信号后，将刚刚挑选出的优先级最大的中断在ISR寄存器中对应的位置1，表示正在处理当前中断，同时在IRR中该中断位置0。

  7. CPU再次发送INTA信号，要求获取中断向量号。如果EIO被设置为自动的话，则8259A自动将ISR对应位置0，表示中断结束，否则需要手动发送EOI信号

  8. 8259A向CPU发送中断向量号。此时如果来了一个优先级更高的中断，则将该中断替换上去，将被替换下来的中断重新装入IRR中

  9. CPU从数据总线上拿到中断向量号止之后，用作中断向量表或者中断描述符表的索引，转到对应的中断处理程序执行。

以上为中断处理流程的上半场

8259A的编程