linux学习之五X86对中断的硬件支持

CPU支持256个中断向量，早期的CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表，当从引脚中得到中断信号后，便读取中断向量号，并根据中断向量号得到相应的中断服务程序的入口地址，从而执行入口地址。
CPU进入保护模式后，对中断响应做了大幅度修改。首先中断向量表的表项从单纯的入口地址改变了意义，称之为“门”。意思为中断发生后，只有通过这些门才可以进入中断服务程序。但门的作用不仅仅限于中断，只要想切换CPU的运行状态就得通过门。因此门根据其用途被分为4种：任务门，中断门，陷阱门和调用门。除任务门外，其它们的结构类似。门的大小都是8字节，64位。

1。任务门
从高向低位看，前16位闲置不用，第17位为P标志位（1表示在内存，0表示不在内存）。第18位至第20位是描述项的优先级别。一个0位，第22位到25位是类型码为101标识任务门。第26位至33位闲置不用。第34位到50位为TSS段选择码，最后16位闲置不用。

P标志位的意义，表示所指向的中断服务程序是否在内存。
描述项的优先级别，用于权限控制。（后面会详细介绍）
当CPU相应中断后，TSS段选择码会起到相当于寄存器CS和DS的作用。TSS是16位，高13位便是内存页面表项，类似于CS和DS，根据第14位选择GDT或者LDT。这样就指向一个特殊的地方。称为“任务状态段”TSS（貌似没经过页式内存管理），其中TSS保存了CPU运行现场包括各个寄存器信息。CPU接下来会将TSS中的运行现场载入到CPU（在次之前CPU会把载入前的现场保存到一个相应的TSS中，CPU中新增的寄存器TR会指向这个TSS）。这样就完成了一次任务切换。实际上linux不采用这种门来实现任务的切换，对于操作系统来说任务也就是进程（可以这么说吧）。但进程带有的信息远远大于CPU中的任务。

2.另外3种门的结构类似。从高向低看，最高16位为位移高16位。接下来是P位，DPL位，一个D位（D位1表示32位，0表示16位)和类型码位（110中断门，111陷阱门，100调用门），3个0占了3个位置，5个闲置不用位，16个段选择码（TSS不知道能不能这么叫，书上没这么写，还是不叫TSS了），和位移的低16位。由此看来类型码和上面的任务门处于同一位置，这样大概硬件不管碰到哪种门都可以取得正确的类型码，然后决定如何来解析这个数据结构吧。和上面区别是，上面的任务门不是一个程序的入口，而是一个任务入口，也就是进程入口（当然linux可能不承认，但CPU设计人员可不这么想）。程序的新入口是需要段内位移的（任务当然不需要）。中断门和陷进门的区别是在于中断门会关闭中断标志位（也就是将CPU中一个用于控制是否该相应中的寄存器赋值为0，这样就屏蔽了可屏蔽中断，但像断电这种不能屏蔽中断自然屏蔽不了），从而防止嵌套中断的出现。而陷阱门则不会（为什么这么分，这和中断的类型有关）。
16位的段选择码和TSS意思差不多，跟CS和DS寄存器的意义类似，高13位为段表的下标，根据第14位选择LDT或者GDT，找到段描述结构（保护模式段式内存寻址的内容）,这样我们就获得了一个TSS（已经不新鲜了，内存地址印射不知道看了多少遍了）。
DPL的意义,硬件上实现非常复杂。用简单的目光看下（所谓的简单目光就是不看任务门和调用门的实现过程），当一个中断到的时候，我们根据中断项找到一个中断门（也可能是陷阱门），这是硬件就会拿CPU的CPL（CPU的运行级别，也就是段寄存器的最低3位了）和DPL对比。CPL必须小于或者等于DPL，就穿过了这道门。我们就会到了新程序的入口了，再将它的CPL和DPL相比，DPL应该小于等于CPL，这样就有一个不等式，中断前的CPL=<DPL=<中断后的CPL，意思就是当我们穿过门后，我们的运行级别上升了。如果一次不满足，那就会发生异常。

门介绍完了，现在看看中断的流程：首先CPU接收到中断信号，响应中断（如果它能够响应这个中断的话）。CPU会将当前的EFLAGS寄存器内容压入堆栈（至于EFLAGS寄存器干嘛用的，读者可以自己看看CPU的逻辑图查查，我只隐约记得貌似是用来保存一些控制信息的，比如是否响应中断的寄存器就是其中一个位置，知道的回帖说下)，返回地址也会被压入堆栈（返回地址就是CS和取令指针EIP的内容了）。如果中断是异常引起的（比如除以0异常），则表示异常原因的出错代码也会被压入栈中。进一步，如果运行级别前后也发生了变化，那堆栈也会被更换（堆栈更换的原因：运行级别不同了，堆栈空间自然要更换，你不应该在系统状态下使用用户堆栈空间，或许这没什么，但如果是在用户状态下使用系统堆栈呢?至于新的堆栈，也就是新的SS和ESP寄存器的值则是在TSS这个数据结构中，TSS寄存器中本来包含一个ES和ESP，这是这个任务的堆栈，还包含3个额外的ES和ESP，分别用于0，1，2这3个不同级别下的堆栈，为什么这么做，我也不太清楚，或许看到后面能明白吧）。CPU就根据TR寄存器内容找到TSS，用相应的堆栈来替换原来的，这样原来的堆栈指针也要被压入新的堆栈中。（有点复杂）。
最后，中断向量表已经不限制于内存0地址这个位置了，它的起始地址保存在新增寄存器IDTR中。
（关于TR这个寄存器的意义我还是不太清楚，希望看到这篇文章的人，知道的回帖能告诉下，谢谢）