Linux硬件中断
Linux 中断和其他操作系统的中断处理一样，要求有硬件和软件的支持。Linux的好处就是可以看到核心处理中断的一举一动，以下对linux的中断机制做详细的分析。
首先对linux中能处理的中断分类：
1．物理硬件设备产生的中断，这些设备与主板上的i8259A中断控制器相连，具体的连接可以找本《计算机组成原理》看看。linux中可以处理的有16个中断号，但这并不意味linux只能处理16个外设中断请求，实际上许多外设是可以共享中断号，这个要求操作系统的软件支持，在后面可以看到linux是如果处理。
2．异常，异常是无法预测的意外。如被0除、缺页：
[code] set_trap_gate(0,÷_error);
set_trap_gate(1,&debug);
set_intr_gate(2,&nmi);
set_system_gate(3,&int3); /* int3-5 can be called from all */
set_system_gate(4,&overflow);
set_system_gate(5,&bounds);
set_trap_gate(6,&invalid_op);
set_trap_gate(7,&device_not_available);
set_trap_gate(8,&double_fault);
set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
set_trap_gate(11,&segment_not_present);
set_trap_gate(12,&stack_segment);
set_trap_gate(13,&general_protection);
set_trap_gate(14,&page_fault);
set_trap_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
set_trap_gate(17,&alignment_check);
set_trap_gate(18,&machine_check);
set_trap_gate(19,&simd_coprocessor_error);
set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);
/*
* default LDT is a single-entry callgate to lcall7 for iBCS
* and a callgate to lcall27 for Solaris/x86 binaries
*/
set_call_gate(&default_ldt[0],lcall7);
set_call_gate(&default_ldt[4],lcall27);[/code]
以上摘自i386\kernel\Traps.c-> trap_init()函数片断，trap_init()函数又被操作系统的初始化工作start_kernel()函数调用，从列表中可以看出linux所处理的异常。从上面的注释中可以看到异常3－5，就是中断指令int3，int4，int5可以被所有的进程调用，这三个实际上是调试程序所用到的，所以当然能被你的程序调用。而其他的异常只能被处于特权级0的进程调用，也就是说这些异常只能被内核所处理，道理非常明显，但是实现起来就不是那么直接了。
童勋 于 2006-09-25 10:46:55发表:
一看就明白，保存当前进程的寄存器，保存在当前进程的系统堆栈里。ret_from_intr估计可以猜出了，就是处理中断返回的函数，但是为什么要进堆栈呢？这个就和do_IRQ函数的调用方式有关了，do_IRQ函数是通过jmp跳过去执行的，也就是没有把函数后的指令地址入栈，这样函数返回后就找不到下一条指令了，pushl $ret_from_intr就解决了这个问题，函数do_IRQ返回后，指令ret就把ret_from_intr出栈，同时装入到ip中，就到ret_from_intr执行了，这是一个汇编程序设计的技巧，被用到了这里，也难怪会把人看得要抓狂了。
绕了老半天，明白了处理硬件中断服务的是函数do_IRQ。看一下这个函数，在irq.c里面。绕过一些错误处理和SMP的处理，简单地看一下：
[code] /*
* do_IRQ handles all normal device IRQ's (the special
* SMP cross-CPU interrupts have their own specific
* handlers).
*/
asmlinkage unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs)
{
int irq = regs.orig_eax & 0xff;
/* high bits used in ret_from_ code */
int cpu = smp_processor_id();
irq_desc_t *desc = irq_desc + irq;
struct irqaction * action;
unsigned int status;
kstat.irqs[cpu][irq]++;
spin_lock(&desc->lock);
desc->handler->ack(irq);
…….
action = NULL;
if (!(status & (IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS))) {
action = desc->action;
status &= ~IRQ_PENDING; /* we commit to handling */
status |= IRQ_INPROGRESS; /* we are handling it */
}
desc->status = status;
for (;;) {
spin_unlock(&desc->lock);
handle_IRQ_event(irq, ®s, action);
spin_lock(&desc->lock);
if (!(desc->status & IRQ_PENDING))
break;
desc->status &= ~IRQ_PENDING;
}
…….
if (softirq_active(cpu) & softirq_mask(cpu))
do_softirq();
return 1;
}
关键在函数ndle_IRQ_event(irq, ®s, action)中，
int handle_IRQ_event(unsigned int irq,
struct pt_regs * regs, struct irqaction * action)
{
int status;
int cpu = smp_processor_id();
irq_enter(cpu, irq);
status = 1; /* Force the "do bottom halves" bit */
if (!(action->flags & SA_INTERRUPT))
__sti();
do {
status |= action->flags;
action->handler(irq, action->dev_id, regs);
action = action->next;
} while (action);
if (status & SA_SAMPLE_RANDOM)
add_interrupt_randomness(irq);
__cli();
irq_exit(cpu, irq);
return status;
}[/code]
在andle_IRQ_event函数的do-while循环中，终于看到了action = action->next，系统在沿着链表处理中断，和原先的设想是一致的。看到这里，再回到前面，明白了interrupt数组的作用。
现在再回顾一下linux处理中断的整个过程，硬件产生一个中断，cpu得到中断号，系统在IDT中找到和这个中断号对应的中断向量，从中断向量中得到IRQ0x0n_interupt的函数地址，执行这个函数，跳到common_interrupt，到call_do_IRQ，到do_IRQ，最后到handle_IRQ_event。
从整个中断的处理过程来说，以上也就是涉及到了中断的初始，处理的方面，还有用户是如何设置中断处理函数，这个在request_IRQ函数中处理。硬件中断就写这么多了，还有软中断和系统调用没有写，等看完后再说。
童勋 于 2006-09-25 10:45:16发表:
一个IRQLIST_16(x)定义了16个函数，名称是IRQ0x0n_interrupt，比如3号中断的函数就是void IRQ0x03_interrupt(void)。这个函数的定义在linux的源文件I8259a.c中，就是通过一串的宏定义掩盖了，仔细看:
[code] #define BI(x,y) BUILD_IRQ(x##y)
#define BUILD_16_IRQS(x) BI(x,0) BI(x,1) BI(x,2)
BI(x,3) BI(x,4) BI(x,5) BI(x,6) BI(x,7) BI(x,8) BI(x,9)
BI(x,a) BI(x,b) BI(x,c) BI(x,d) BI(x,e) BI(x,f)
/*
* ISA PIC or low IO-APIC triggered (INTA-cycle or APIC)
interrupts:
* (these are usually mapped to vectors 0x20-0x2f)
*/
BUILD_16_IRQS(0x0)，[/code]
宏BUILD_16_IRQS定义了16个BI，每一个BI都通过宏BUILD_IRQ(x##y)展开，找出BUILD_IRQ(x##y)的宏定义：
[code]#define BUILD_IRQ(nr) asmlinkage void IRQ_NAME(nr);
__asm__( "\n"__ALIGN_STR"\n" SYMBOL_NAME_STR(IRQ)
#nr "_interrupt:\n\t" "pushl $"#nr"-256\n\t"
"jmp common_interrupt");[/code]
再找出IRQ_NAME的宏定义：
[code]#define IRQ_NAME2(nr) nr##_interrupt(void)
#define IRQ_NAME(nr) IRQ_NAME2(IRQ##nr)[/code]
终于找出IRQ0x03_interrupt的定义，就是
[code]__asm__( "\n"__ALIGN_STR"\n" SYMBOL_NAME_STR(IRQ)
#nr "_interrupt:\n\t" "pushl $"#nr"-256\n\t"
"jmp common_interrupt");
翻译为c语言就是
{
IRQ#nr_interrupt:
Pushl nr-256
Jmp common_interrupt
}[/code]
这个一连串的宏定义就是为了简写源代码，否则要写16编相同的代码。如果有人看过《深入浅出MFC》，对这个应该比较熟悉，在MFC中的类定义里面也用到了很多的宏，同样让你看傻了眼。这些函数都要跳到common_interrupt下面的代码执行，那么这个又在哪里？在一个头文件里面，这个文件是Hw_irq.h，定义如下：
[code] #define BUILD_COMMON_IRQ() asmlinkage void call_do_IRQ(void);
__asm__( "\n" __ALIGN_STR"\n"
"common_interrupt:\n\t" SAVE_ALL
"pushl $ret_from_intr\n\t" SYMBOL_NAME_STR(call_do_IRQ)":\n\t"
"jmp "SYMBOL_NAME_STR(do_IRQ));[/code]
跳到了一个函数call_do_IRQ里面，这个函数用c复写一遍就是：
[code]void call_do_IRQ(void)
{
common_interrupt:
SAVE_ALL
pushl $ret_from_intr
call_do_IRQ:
jmp do_IRQ
}[/code]
SAVE_ALL是一个宏：
[code]#define SAVE_ALL "cld\n\t" "pushl %es\n\t"
"pushl %ds\n\t" "pushl %eax\n\t" "pushl %ebp\n\t"
"pushl %edi\n\t" "pushl %esi\n\t" "pushl %edx\n\t"
"pushl %ecx\n\t" "pushl %ebx\n\t" "movl $"
STR(__KERNEL_DS) ",%edx\n\t" "movl %edx,%ds\n\t"
"movl %edx,%es\n\t"[/code]
童勋 于 2006-09-25 10:43:22发表:
hw_irq_controller就是控制中断控制芯片的，它的功能从数据类型上可以看出。所以当I<16时irq_desc[i].handler = &i8259A_irq_type；这里的I对应着中断号。struct irqaction是一个链表，前面说过硬件可以共享中断号，因此一个中断号来了后，就在一个链表中找处理程序，这个处理程序就是irqaction->handler，这个链表是irq_desc[i]-> irqaction。可见init_ISA_irqs就是初始化irq_desc数组用的，irq_desc数组记录了各个中断号的服务程序的列表，在后面的系统统一中断处理程序中还会看到它。
第二个函数set_intr_gate前面已经见过了，这里为了方便再粘贴一下：
[code]void set_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{
_set_gate(idt_table+n,14,0,addr);
}[/code]
它是写IDT表格中断向量的，关键是全局数组interrupt。在同文件中找到：
[code]void (*interrupt[NR_IRQS])(void) = {
IRQLIST_16(0x0),
…….
}[/code]
是一个函数指针数组，IRQLIST_16(0x0)是一个宏定义:
[code]#define IRQ(x,y) IRQ##x##y##_interrupt
#define IRQLIST_16(x) IRQ(x,0), IRQ(x,1), IRQ(x,2),
IRQ(x,3), IRQ(x,4), IRQ(x,5), IRQ(x,6), IRQ(x,7),
IRQ(x,8), IRQ(x,9), IRQ(x,a), IRQ(x,b), IRQ(x,c),
IRQ(x,d), IRQ(x,e), IRQ(x,f)[/code]
童勋 于 2006-09-25 10:42:36发表:
实际上它们都是由一个内部函数完成的，_set_gate()，就是参数不同，这里就关注第三个参数，这个参数就是门的权限。如果这个参数等于3，就是说用户态进程也能调用。这样就得出system_gate和call_gate用户态进程能调用，intr_gate和trap_gate只有 核心态进程能调用了。这里要补充一点就是intr_gate和trap_gate系统处理是基本一致的，唯一的不同点就是intr_gate处理关了中断，而trap_gate在处理时不关中断。
对异常的处理具体可以看处理函数的定义，这里就不详细解释了。Linux对硬件的中断进行了统一的处理。这里就要看看具体的代码了。在源文件arch\i386\kernel\i8259.c中，先看一下函数init_IRQ，这个函数是硬件中断的初始化函数，也被start_kernel调用。去掉了SMP宏等条件编译的代码，简化一下就得到如下代码：
[code]void __init init_IRQ(void)
{
……….
init_ISA_irqs();
……….
for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) {
int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
if (vector != SYSCALL_VECTOR)
set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
}
……..
}[/code]
核心是两个函数init_ISA_irqs，set_intr_gate和一个全局数组变量interrupt。宏FIRST_EXTERNAL_VECTOR=20，也就是硬件中断向量>=20，这里说明一下中断号和中断向量的区别，中断号实际上是硬件连接i8259a是的线号，是物理的；中断向量是逻辑的，代表中断服务在IDT中的下标。宏SYSCALL_VECTOR是0x80，为系统调用保留。
先看init_ISA_irqs的定义
[code]void __init init_ISA_irqs (void)
{
int i;
init_8259A(0);
for (i = 0; i < NR_IRQS; i++) {
irq_desc[i].status = IRQ_DISABLED;
irq_desc[i].action = 0;
irq_desc[i].depth = 1;
if (i < 16) {
/*
* 16 old-style INTA-cycle interrupts:
*/
irq_desc[i].handler = &i8259A_irq_type;
} else {
/*
* 'high' PCI IRQs filled in on demand
*/
irq_desc[i].handler = &no_irq_type;
}
}
}[/code]
首先要解释的是全局irq_desc数组：
[code]/*
* This is the "IRQ descriptor", which contains various information
* about the irq, including what kind of hardware handling it has,
* whether it is disabled etc etc.
*
* Pad this out to 32 bytes for cache and indexing reasons.
*/
typedef struct {
unsigned int status; /* IRQ status */
hw_irq_controller *handler;
struct irqaction *action; /* IRQ action list */
unsigned int depth; /* nested irq disables */
spinlock_t lock;
} ____cacheline_aligned irq_desc_t;
extern irq_desc_t irq_desc [NR_IRQS];[/code]
从以上的声明中看出，irq_desc是"IRQ descriptor"。
不明白的是结构中的类型struct irqaction和hw_irq_controller，
再找出它们的声明：
[code] struct hw_interrupt_type {
const char * typename;
unsigned int (*startup)(unsigned int irq);
void (*shutdown)(unsigned int irq);
void (*enable)(unsigned int irq);
void (*disable)(unsigned int irq);
void (*ack)(unsigned int irq);
void (*end)(unsigned int irq);
void (*set_affinity)(unsigned int irq, unsigned long mask);
};
typedef struct hw_interrupt_type hw_irq_controller;
struct irqaction {
void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *);
unsigned long flags;
unsigned long mask;
const char *name;
void *dev_id;
struct irqaction *next;
};[/code]
童勋 于 2006-09-25 10:41:33发表:
3．陷阱（trap）
陷阱又称为主动异常，就是在你的程序中直接出现int n指令，实际上在你的程序中能出现的这样的指令也不多，除非你的程序是已模块的方式联入内核中了。
4．系统调用int80
之所以特地提出就是为了把系统调用说明白，系统调用是操作系统实现的，给用户提供的功能接口。很多人会对之有一种神秘感，它的代码在系统初始化时载入内存的低端，被映射入内核空间（3G）以上，对所有的调用进程来说，它们的地址是一样的。
以上的分类很多人并不一定赞同，但有胜于无。
Linux的中断的处理
在80386以前的cpu中，中断是通过中断向量表IDT处理。这个处理大家可以看看有关的书。就是操作系统把中断处理的人口地址放在内存0开始的地方，每一个中断向量占4个字节，2个为了段基地址，另外2个为了偏移。一共是256个向量，刚好是1k。在80386中，CPU允许在任意地址存放IDT，这样和处理段一样，CPU多了一个寄存器IDTR，存放IDT在内存的起址。80386中为了在保护模式中处理中断，引入了一个新的术语“门”，对于这个术语大家可以参考intel的资料，在这里就理解为进程权限改变时必须通过的一道检查门。Intel为80386设置了4种门：任务门、中断门、陷阱门、调用门。后三者基本上差不多。任务门看不出有什么用处，在linux的注释中说明为了在linux上运行iBCS和Solaris/X86设置了两个任务门。80386的中断向量描述也和8086完全不一样了，中断向量有64位长，给出的是中断处理程序的段选择符（16位）、程序的偏移地址（32位）、类型码。因此在这里可以描述一下80386处理中断的场景了：
（1）CPU根据中断矢量在IDT中找到对应的中断项；
（2）根据中断向量中的段选择符，在GDT中找到段的起址，结合偏移量，就得到中断服务的线性地址，这个地址肯定在3G以上的，也就是说是映射到核心区域中的。
80386中对中断设置了门（中断向量），它对进程的权限有严格的要求，具体是：
1．进入门之前，进程的权限要高于门的权限（这个权限在中断向量的类型描述中）。
2．进入门后，进程的权限要高于中断服务程序所在的段的运行权限（GDT）。
3．硬件中断可以绕过上述过程。
4．其它类型的中断，异常，如果不满足1就会引发一个保护异常。
这种权限设置在初始化的时候就完成了，我们看函数trap_init()中，共有四种设置函数，分别是：
[code] set_trap_gate
set_system_gate
set_intr_gate
set_call_gate[/code]
在源代码traps.c中找到它们的定义：
[code]void set_intr_gate(unsigned int n, void *addr)
{
_set_gate(idt_table+n,14,0,addr);
}
static void __init set_trap_gate(unsigned int n, void *addr)
{
_set_gate(idt_table+n,15,0,addr);
}
static void __init set_system_gate(unsigned int n, void *addr)
{
_set_gate(idt_table+n,15,3,addr);
}
static void __init set_call_gate(void *a, void *addr)
{
_set_gate(a,12,3,addr);
}[/code]