中断——中断描述符表的定义和初始化（一） （基于3.16-rc4）

1.中断描述符表的定义（arch/x86/kernel/traps.c）

 gate_desc debug_idt_table[NR_VECTORS] __page_aligned_bss;

定义的描述符表为一个结构体数组，数组元素类型为gate_desc，大小为8B。NR_VECTORS宏为256，即描述符表大小为256*8B。

2.idt_descr变量的定义（arch/x86/kernel/head_32.S）

 idt_descr:
     .word IDT_ENTRIES*-        # idt contains  entries
     .long idt_table

 # boot GDT descriptor (later on used by CPU#):
     .word                 #  bit align gdt_desc.address

这是内核定义的一个全局变量，存放有中断描述符表的大小和首地址。该变量将存放在idtr寄存器中。

3.中断描述符初步的初始化（arch/x86/kernel/head_32.S）

 __INIT
 setup_once:
     /*
      * Set up a idt with 256 entries pointing to ignore_int,
      * interrupt gates. It doesn't actually load idt - that needs
      * to be done on each CPU. Interrupts are enabled elsewhere,
      * when we can be relatively sure everything is ok.
      */

     movl $idt_table,%edi
     movl $early_idt_handlers,%eax     movl $NUM_EXCEPTION_VECTORS,%ecx
 :
     movl %eax,(%edi)
     movl %eax,(%edi)
     /* interrupt gate, dpl=0, present */
     movl $(0x8E000000 + __KERNEL_CS),(%edi)
     addl $,%eax
     addl $,%edi
     loop 1b

     movl $ - NUM_EXCEPTION_VECTORS,%ecx
     movl $ignore_int,%edx
     movl $(__KERNEL_CS << ),%eax
     movw %dx,%ax        /* selector = 0x0010 = cs */
     movw $0x8E00,%dx    /* interrupt gate - dpl=0, present */
 :
     movl %eax,(%edi)
     movl %edx,(%edi)
     addl $,%edi
     loop 2b
         ...
         ...

这段代码是对中断描述符表的初步初始化，14-20行是对前32个中断描述符进行初始化，让所有描述符指向early_idt_handlers处理函数。22-31行是对后256-32=224个中断描述符进行初始化，使之指向ignore_int处理函数。省略号以后是对GDT描述符表的初始化，这里不予讨论。

4.中断描述符表最终的初始化（arch/x86/kernel/traps.c）

 void __init trap_init(void)
 {
     int i;

 #ifdef CONFIG_EISA
     void __iomem *p = early_ioremap(0x0FFFD9, );

     if (readl(p) == 'E' + ('I'<<) + ('S'<<) + ('A'<<))
         EISA_bus = ;
     early_iounmap(p, );
 #endif

     set_intr_gate(X86_TRAP_DE, divide_error);
     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_NMI, &nmi, NMI_STACK);
     /* int4 can be called from all */
     set_system_intr_gate(X86_TRAP_OF, &overflow);
     set_intr_gate(X86_TRAP_BR, bounds);
     set_intr_gate(X86_TRAP_UD, invalid_op);
     set_intr_gate(X86_TRAP_NM, device_not_available);
 #ifdef CONFIG_X86_32
     set_task_gate(X86_TRAP_DF, GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
 #else
     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_DF, &double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);
 #endif
     set_intr_gate(X86_TRAP_OLD_MF, coprocessor_segment_overrun);
     set_intr_gate(X86_TRAP_TS, invalid_TSS);
     set_intr_gate(X86_TRAP_NP, segment_not_present);
     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_SS, &stack_segment, STACKFAULT_STACK);
     set_intr_gate(X86_TRAP_GP, general_protection);
     set_intr_gate(X86_TRAP_SPURIOUS, spurious_interrupt_bug);
     set_intr_gate(X86_TRAP_MF, coprocessor_error);
     set_intr_gate(X86_TRAP_AC, alignment_check);
 #ifdef CONFIG_X86_MCE
     set_intr_gate_ist(X86_TRAP_MC, &machine_check, MCE_STACK);
 #endif
     set_intr_gate(X86_TRAP_XF, simd_coprocessor_error);

     /* Reserve all the builtin and the syscall vector: */
     for (i = ; i < FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i++)
         set_bit(i, used_vectors);

 #ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
     set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall);
     set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
 #endif

 #ifdef CONFIG_X86_32
     set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);FIRST_EXTERNAL_VECTOR
     set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
 #endif

     /*
      * Set the IDT descriptor to a fixed read-only location, so that the
      * "sidt" instruction will not leak the location of the kernel, and
      * to defend the IDT against arbitrary memory write vulnerabilities.
      * It will be reloaded in cpu_init() */
     __set_fixmap(FIX_RO_IDT, __pa_symbol(idt_table), PAGE_KERNEL_RO);
     idt_descr.address = fix_to_virt(FIX_RO_IDT);

     /*
      * Should be a barrier for any external CPU state:
      */
     cpu_init();

     x86_init.irqs.trap_init();

 #ifdef CONFIG_X86_64
     memcpy(&debug_idt_table, &idt_table, IDT_ENTRIES * );
     set_nmi_gate(X86_TRAP_DB, &debug);
     set_nmi_gate(X86_TRAP_BP, &int3);
 #endif
 }

该函数对中断描述表的进行了部分初始化，13-36行对系统已分配的异常和非屏蔽中断进行初始化，中断向量号为0-19。接着，39-40行在中断位图表中对已初始化的中断所对应的位进行标记。接着，43和48行又出始化了两个中断，一个是系统中断门，中断向量号为0x80，一个是系统陷阱门，中断向量号为2。

在该函数中，大家可以看出，对中断进行初始化的函数有如下几个：

 set_intr_gate()
 set_system_intr_gate()
 set_system_trap_gate()
 set_task_gate()

这几个函数也在arch/x86/kernel/traps.c中定义。分别是对中断门，系统中断门，系统陷阱门，任务门描述符的初始化。进一步深入可发现，这几个函数都调用了如下的函数：

 static inline void _set_gate(int gate, unsigned type, void *addr,
                  unsigned dpl, unsigned ist, unsigned seg)
 {
     gate_desc s;

     pack_gate(&s, type, (unsigned long)addr, dpl, ist, seg);
     /*
      * does not need to be atomic because it is only done once at
      * setup time
      */
     write_idt_entry(idt_table, gate, &s);
     write_trace_idt_entry(gate, &s);
 }

该函数定义在arch/x86/include/asm/desc.h文件中。在该函数中定义了一个gate_desc类型变量s，并将s的指针传递给pack_gate函数，把要初始化的描述符各个字段的值临时存放在s中。下边分析下pack_gate函数，在分析该函数之前，我们先看下gate_desc结构体。

 struct desc_struct {
     union {
         struct {
             unsigned int a;
             unsigned int b;
         };
         struct {
             u16 limit0;
             u16 base0;
             unsigned base1: , type: , s: , dpl: , p: ;
             unsigned limit: , avl: , l: , d: , g: , base2: ;
         };
     };
 } __attribute__((packed));

typedef struct desc_struct gate_desc

该结构体定义位于arch/x86/include/asm/desc_defs.h中。该结构体中包含了一个共用体，共用体中又包含了两个结构体。我们知道，共用体在分配内存单元时，并不为每个成员都分配，而是为最大的成员来分配。可以看出该共用体的两个结构体成员大小相等，都是8B，因此整个gate_desc结构体大小就为8B。我们可以使用共用体中的任意一个结构体成员来为这个gate_desc赋值，也就是说我们既可以将gate_desc看成是struct { unsigned int a;  unsigned int b; };也可以看成是struct { u16 limit0; u16 base0; .... };下面在分析pack_gate函数过程中将看到赋值过程，我们将gate_desc看作是struct { unsigned int a;  unsigned int b; };。

 static inline void pack_gate(gate_desc *gate, unsigned char type,
                  unsigned long base, unsigned dpl, unsigned flags,
                  unsigned short seg)
 {
     gate->a = (seg << ) | (base & 0xffff);
     gate->b = (base & 0xffff0000) | (((0x80 | type | (dpl << )) & 0xff) << );
 }

该函数也定义在arch/x86/include/asm/desc.h文件中。在该函数中为gate所指向的gate_desc描述符进行初始化。gate->a是描述符的0-31位，gate->b是描述符的32-63位。描述符的如下所示：

接着，我们分析_set_gate()中的11行，write_idt_entry()调用。

 static inline void native_write_idt_entry(gate_desc *idt, int entry, const gate_desc *gate)
 {
     memcpy(&idt[entry], gate, sizeof(*gate));
 }

#define write_idt_entry() native_write_idt_entry()   //粗略的写了下，大家能明白就行 

该函数定义在arch/x86/include/asm/desc.h中。在该函数中，使用memcpy()函数将gate中的字段复制到&idt[entry]所指向的各个字段中。很显然，idt[]数组就是内核中定义的中断描述符表，我们在文章开头给大家看过该定义。gate就是我们在_set_gate()中定义的临时变量s，在这里我们将s中的字段值赋给idt[]数组的对应元素，至此一个描述符的初始化工作就全部完成了，s变量的用途也就结束了，另外，entry变量中存放的是要初始化的中断向量号，用该号来定位idt数组的元素。

最后，再补充说明一点东西，回头看下第4点中的trap_init()函数，在该函数中对中断描述符表进行初始化，使用了很多初始化函数比如set_intr_gate()或set_system_intr_gate()等等，我们拿第一个初始化函数set_intr_gate(X86_TRAP_DE, divide_error)来做说明。X86_TRAP_DE是枚举类型参数，代表的是中断向量号，定义在arch/x86/include/asm/traps.h文件中。这种枚举类型其实有很多。

 /* Interrupts/Exceptions */
 enum {
     X86_TRAP_DE = ,    /*  0, Divide-by-zero */
     X86_TRAP_DB,        /*  1, Debug */
     X86_TRAP_NMI,        /*  2, Non-maskable Interrupt */
     X86_TRAP_BP,        /*  3, Breakpoint */
     X86_TRAP_OF,        /*  4, Overflow */
     X86_TRAP_BR,        /*  5, Bound Range Exceeded */
     X86_TRAP_UD,        /*  6, Invalid Opcode */
     X86_TRAP_NM,        /*  7, Device Not Available */
     X86_TRAP_DF,        /*  8, Double Fault */
     X86_TRAP_OLD_MF,    /*  9, Coprocessor Segment Overrun */
     X86_TRAP_TS,        /* 10, Invalid TSS */
     X86_TRAP_NP,        /* 11, Segment Not Present */
     X86_TRAP_SS,        /* 12, Stack Segment Fault */
     X86_TRAP_GP,        /* 13, General Protection Fault */
     X86_TRAP_PF,        /* 14, Page Fault */
     X86_TRAP_SPURIOUS,    /* 15, Spurious Interrupt */
     X86_TRAP_MF,        /* 16, x87 Floating-Point Exception */
     X86_TRAP_AC,        /* 17, Alignment Check */
     X86_TRAP_MC,        /* 18, Machine Check */
     X86_TRAP_XF,        /* 19, SIMD Floating-Point Exception */
     X86_TRAP_IRET = ,    /* 32, IRET Exception */
 };

第二个参数，是汇编函数的函数名（在这里作为函数指针来使用），该函数为内核原先就定义好的中断或异常处理程序。这种类型的函数有很多，都定义在arch/x86/kernel/entry_32.S文件中，下边我们列举几个给大家看看，有兴趣自己去查。

 ENTRY(segment_not_present)
     RING0_EC_FRAME
     ASM_CLAC
     pushl_cfi $do_segment_not_present
     jmp error_code
     CFI_ENDPROC
 END(segment_not_present)

 ENTRY(stack_segment)
     RING0_EC_FRAME
     ASM_CLAC
     pushl_cfi $do_stack_segment
     jmp error_code
     CFI_ENDPROC
 END(stack_segment)

 ENTRY(alignment_check)
     RING0_EC_FRAME
     ASM_CLAC
     pushl_cfi $do_alignment_check
     jmp error_code
     CFI_ENDPROC
 END(alignment_check)

 ENTRY(divide_error)
     RING0_INT_FRAME
     ASM_CLAC
     pushl_cfi $            # no error code
     pushl_cfi $do_divide_error
     jmp error_code
     CFI_ENDPROC
 END(divide_error)

这些汇编代码只是异常处理程序的开头一部分，可以看到每一个汇编段中，都有一条pushl_cfi $do_***的指令，该$do_***才是真正的异常处理程序（函数名，也是函数指针），现将该函数名压入栈中，然后通过jmp error_code指令跳转到$do_***函数中。error_code其实也是一段汇编代码，如下所示：

 1 error_code:
 2     /* the function address is in %gs's slot on the stack */
 3     pushl_cfi %fs
 4     /*CFI_REL_OFFSET fs, 0*/
 5     pushl_cfi %es
 6     /*CFI_REL_OFFSET es, 0*/
 7     pushl_cfi %ds
 8     /*CFI_REL_OFFSET ds, 0*/
 9     pushl_cfi %eax
10     CFI_REL_OFFSET eax, 0
11     pushl_cfi %ebp
12     CFI_REL_OFFSET ebp, 0
13     pushl_cfi %edi
14     CFI_REL_OFFSET edi, 0
15     pushl_cfi %esi
16     CFI_REL_OFFSET esi, 0
17     pushl_cfi %edx
18     CFI_REL_OFFSET edx, 0
19     pushl_cfi %ecx
20     CFI_REL_OFFSET ecx, 0
21     pushl_cfi %ebx
22     CFI_REL_OFFSET ebx, 0
23     cld
24     movl $(__KERNEL_PERCPU), %ecx
25     movl %ecx, %fs
26     UNWIND_ESPFIX_STACK
27     GS_TO_REG %ecx
28     movl PT_GS(%esp), %edi        # get the function address
29     movl PT_ORIG_EAX(%esp), %edx    # get the error code
30     movl $-1, PT_ORIG_EAX(%esp)    # no syscall to restart
31     REG_TO_PTGS %ecx
32     SET_KERNEL_GS %ecx
33     movl $(__USER_DS), %ecx
34     movl %ecx, %ds
35     movl %ecx, %es
36     TRACE_IRQS_OFF
37     movl %esp,%eax            # pt_regs pointer
38     call *%edi
39     jmp ret_from_exception
40     CFI_ENDPROC
41 END(page_fault)

该片段来自arch/x86/kernel/entry_32.S文件中。代码的开始部分3-22行，对寄存器进行压栈操作，因为这些寄存器将要在随后的异常处理程序中用到，所以事先要保存。最后可以看到在38行，执行了call %edi命令，调用了最终的异常处理程序，在28行可以看到将异常处理程序地址存入了edi寄存器中。第39行通过跳入ret_from_exception中，返回被中断的进程。

至此，中断描述符的初始化工作就告一段落。文中有问题的地方希望大家指正。qq：1193533825