Linux 0.11源码阅读笔记-中断过程

是什么中断

中断发生时，计算机会停止当前运行的程序，转而执行中断处理程序，然后再返回原被中断的程序继续运行。中断包括硬件中断和软件中断，硬中断是由外设自动产生的，软中断是程序通过int指令主动调用。中断产生时，会有一个中断号，根据中断号可在中断向量表中选择对应的中断处理程序执行。

中断在linux当中非常重要，是用户态代码与和心态代码相互切换运行的桥梁。进程调度依赖于时钟中断进入内核，系统调用也是依赖int 80软中断进入内核执行。

中断处理过程

以int 80中断为例。system_call过程代码是 int 80中断处理程序，是所有系统调用的入口。位于linux-0.11/kernel/system_call.s文件中。

`sytem_call`执行过程

保存运行环境：保存被中断程序的运行环境，包括指令地址（PC）、段等寄存器的值。
执行系统调用：根据系统调用号，查找系统调用函数地址表，并执行系统调用函数
执行调度程序：判断进程时间片是否处于不可运行状态（时间片用完或者处于阻塞状态），若不可运行，则执行调度程序。
进行信号处理：若被中断程序为用户态进程，会先判断信号是否产生，并执行相应的信号处理程序。
恢复运行环境：恢复被中断程序的运行环境。

system_call代码及注释

### int 0x80 - linux系统调用入口点(调用中断int 0x80,eax 中是调用号)

system_call:

	cmpl $nr_system_calls-1,%eax    # 调用号如果超出范围的话就在eax中置-1并退出

	ja bad_sys_call

# 保存原段寄存器值

	push %ds

	push %es

	push %fs

# edx、ecx、ebx作为系统调用的参数

	pushl %edx

	pushl %ecx		# push %ebx,%ecx,%edx as parameters

	pushl %ebx		# to the system call

# 设置内核段

	movl $0x10,%edx	# set up ds,es to kernel space

	mov %dx,%ds

	mov %dx,%es

# fs指向用户程序的数据段。

	movl $0x17,%edx		# fs points to local data space

	mov %dx,%fs

# 调用系统调用号对应的系统调用函数

	call sys_call_table(,%eax,4)	# 间接调用指定功能C函数

	pushl %eax						# 把系统调用返回值入栈

# 如果进程时间片（counter）用完或者状态（state）非就绪，则执行调度程序

	movl current,%eax		# 取当前任务(进程)数据结构地址→eax

	cmpl $0,state(%eax)		# state

	jne reschedule

	cmpl $0,counter(%eax)	# counter

	je reschedule

# 中断处理程序后半段，返回被中断程序继续执行。

ret_from_sys_call:

# 若被中断程序为0号进程,直接返回。

	movl current,%eax		# task[0] cannot have signals

	cmpl task,%eax

	je 3f                   # 向前(forward)跳转到标号3处退出中断处理

# 若被中断程序运行在内核态（例如其它可被中断中断程序），则直接返回

	cmpw $0x0f,CS(%esp)		# was old code segment supervisor ?

	jne 3f

	cmpw $0x17,OLDSS(%esp)	# was stack segment = 0x17 ?

	jne 3f

# 若被中断程序为用户进程，则先处理进程的信号

# 通过信号位图，判断产生的信号，然后调用do_signal执行对应的信号处理程序

	movl signal(%eax),%ebx	# 取信号位图→ebx,每1位代表1种信号，共32个信号

	movl blocked(%eax),%ecx	# 取阻塞(屏蔽)信号位图→ecx

	notl %ecx				# 每位取反

	andl %ebx,%ecx			# 获得许可信号位图

	bsfl %ecx,%ecx			# 从低位(位0)开始扫描位图，看是否有1的位，若有，则ecx保留该位的偏移值

	je 3f					# 如果没有信号则向前跳转退出

	btrl %ecx,%ebx			# 复位该信号(ebx含有原signal位图)

	movl %ebx,signal(%eax)	# 重新保存signal位图信息→current->signal.

	incl %ecx				# 将信号调整为从1开始的数(1-32)

	pushl %ecx				# 信号值入栈作为调用do_signal的参数之一

	call do_signal			# 调用C函数信号处理程序(kernel/signal.c)

	popl %eax				# 弹出入栈的信号值

# 返回被中断程序

3:	popl %eax				# eax中含有上面入栈系统调用的返回值

	popl %ebx

	popl %ecx

	popl %edx

	pop %fs

	pop %es

	pop %ds

	iret					# 特权级中断返回指令

用户栈与内核栈之间的切换

特权级发生变化时，会涉及到内核栈和用户栈的切换。linux具有两个特权级，内核态（0）和用户态（3）。int指令可以从用户态转入内核态，iret指令可以从内核态返回用户态。

用户栈到内核栈

中断引起CPU特权级从3级到0级的变化，此时CPU会进行用户栈到内核栈的切换操作。

获取内核栈内存地址信息。CPU从当前任务状态段TSS（PCB）中取得新栈的段选择符和偏移值，内核栈指针从TSS的ss0（选择符）和esp0字段中获得。
将用户栈地址信息保存在内核栈中。将用户态栈指针和代码地址信息ss、esp、cs、eip压入内核栈中。
将ss、esp、cs、eip指向内核栈和代码地址。

内核栈到用户栈

iret指令引起CPU特权级从0级到3级的变化，此时CPU会进行内核栈到用户栈的切换操作。

iret指令将先前压入内核栈的用户进程栈和代码地址信息cs、esp、ss、esp信息从栈里弹出，加载到相应的寄存器中，重新执行用户进程。

进程调度的实现机制

每个用户进程有自己的内核栈，进程调度时，将栈寄存器指向需要运行的进程的内核栈，执行iret指令即可继续运行该进程。

内核栈的切换

进程调度的通过内核栈之间的切换，实现进程之间的切换运行。为什么每个进程都需要一个内核栈？进程需要保存运行状态信息（各种寄存器信息），等待被调度程序选中运行。

进程切换

进程切换的实质在于进程状态（上下文）的切换，即将CPU的当前进程状态替换成新进程的状态。被替换进程的进程状态会保存在其对应的tss数据结构中，等待恢复运行。任务寄存器TR会保存当前任务的TSS指针，TSS数据结构总保存进程的运行状态。

具体过程为：

当前进程通过中断进入内核，用户态ss、esp、cs、ip寄存器信息保存在内核栈中，切换到内核态运行，使用内核堆栈
schedule调度程序时，将当前进程内核态运行信息保存在当前任务的tss数据结构中，然后切换到新进程的内核运行状态，在内核中运行新的进程。
新运行的进程通过iret指令从内核态转到用户态运行，用户态的运行状态信息在其内核栈中。

参考

Linux 内核完全注释内核版本0.11 - 赵炯

PS：错漏指出，请大佬指正，在评论区可交流学习。