Linux中断 - IDT
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如何设置IDT
IDT 中断描述符表定义
中断描述符表简单来说说是定义了发生中断/异常时，CPU按这张表中定义的行为来处理对应的中断/异常。
#define IDT_ENTRIES 256
gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES] __page_aligned_bss;从上面我们可以知道，其包含了256项，它是一个gate_desc的数据，其下标0-256就表示中断向量，gate_desc我们在下面马上介绍。
中断描述符项定义
- 当中断发生，cpu获取到中断向量后，查找IDT中断描述符表得到相应的中断描述符，再根据中断描述符记录的信息来作权限判断，运行级别转换，最终调用相应的中断处理程序；
- 这里涉及到Linux kernel的分段式内存管理，我们这里不详细展开，有兴趣的同学可以自行学习。如下简述之：
- 我们知道CPU只认识逻辑地址，逻辑地址经分段处理转换成线性地址，线性地址经分页处理最终转换成物理地址，这样就可以从内存中读取了；
- 逻辑地址你可以简单认为就是CPU执行代码时从CS(代码段寄存器) ： IP （指令计数寄存器）中加载的代码，实际上通过CS可以得到逻辑地址的基地址，再加上IP这个相对于基地址的偏移量，就得到真正的逻辑地址；
- CS寄存器16位，它不会包含真正的基地址，它一般被称为
段选择子，包括一个index索引，指向GDT或LDT的一项；一个指示位，指示index索引是属于GDT还是LDT; 还有CPL, 表明当前代码运行权限； GDT: 全局描述符表，每一项记录着相应的段基址，段大小，段的访问权限DPL等，到这里终于可以获取到段基地址了，再加上之前IP寄存器里存放的偏移量，真正的逻辑地址就有了。- 附上简图：
idt2.jpg
- 我们先看中断描述符的定义：
struct gate_struct {
u16 offset_low;
u16 segment;
struct idt_bits bits;
u16 offset_middle;
#ifdef CONFIG_X86_64
u32 offset_high;
u32 reserved;
#endif
} __attribute__((packed));其中：
offset_high,offset_middle和offset_low合起来就是中断处理函数地址的偏移量；segment就是相应的段选择子，根据它在GDT中查找可以最终获取到段基地址；-
bits是该中断描述符的一些属性值：
struct idt_bits {
u16 ist : 3,
zero : 5,
type : 5,
dpl : 2,
p : 1;
} __attribute__((packed));
ist表示此中断处理函数是使用pre-cpu的中断栈，还是使用IST的中断栈;
type表示所中断是何种类型，目前有以下四种：
enum {
GATE_INTERRUPT = 0xE, //中断门
GATE_TRAP = 0xF, // 陷入门
GATE_CALL = 0xC, // 调用门
GATE_TASK = 0x5, // 任务门
};
门的概念这里主要用作权限控制，我们从一个区域进到另一个区域需要通过一扇门，有门禁权限才可以通过，因此 dpl就是这个权限，实际中我们一般称为RPL；
我们后面会通过一个例子来讲一下CPL,RPL和DPL三者之间的关系。
IDT 中断描述符表本身的存储
IDT 中断描述符表的物理地址存储在IDTR寄存器中，这个寄存器存储了IDT的基地址和长度。查询时，从 IDTR 拿到 base address ，加上向量号 * IDT entry size，即可以定位到对应的表项(gate)。
idt1.jpg
设置IDT
- 设置中断门类型的IDT描述符
static void set_intr_gate(unsigned int n, const void *addr)
{
struct idt_data data;
BUG_ON(n > 0xFF);
memset(&data, 0, sizeof(data));
data.vector = n; // 中断向量
data.addr = addr; // 中断处理函数的地址
data.segment = __KERNEL_CS; // 段选择子
data.bits.type = GATE_INTERRUPT; // 类型
data.bits.p = 1;
idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false);
}
上面的函数主要是填充好idt_data，然后调用idt_setup_from_table;
-
idt_setup_from_table:
static void
idt_setup_from_table(gate_desc *idt, const struct idt_data *t, int size, bool sys)
{
gate_desc desc;
for (; size > 0; t++, size--) {
idt_init_desc(&desc, t);
write_idt_entry(idt, t->vector, &desc);
if (sys)
set_bit(t->vector, system_vectors);
}
}
首先使用 idt_data结构来填充中断描述符变量idt_init_desc, 然后将这个中断描述符变量copy进idt_table。
看，就是这么简单~~~
-
gate_desc的多种初始化方法 因为gate_desc是通过ida_dat填充的，所以这里关键是idt_data的初始化，我们详细看一下：
/* Interrupt gate
中断门，DPL = 0
只能从内核调用
*/
#define INTG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)
/* System interrupt gate
系统中断门，DPL = 3
可以从用户态调用，比如系统调用
*/
#define SYSG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)
/*
* Interrupt gate with interrupt stack. The _ist index is the index in
* the tss.ist[] array, but for the descriptor it needs to start at 1.
中断门, DPL = 0
只能从内核态调用，使用TSS.IST[]作为中断栈
*/
#define ISTG(_vector, _addr, _ist) \
G(_vector, _addr, _ist + 1, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)
/* Task gate
任务门， DPL = 0
只能作内核态调用
*/
#define TSKG(_vector, _gdt) \
G(_vector, NULL, DEFAULT_STACK, GATE_TASK, DPL0, _gdt << 3)
我们再来看下G这个宏的实现：
#define G(_vector, _addr, _ist, _type, _dpl, _segment) \
{ \
.vector = _vector, \
.bits.ist = _ist, \
.bits.type = _type, \
.bits.dpl = _dpl, \
.bits.p = 1, \
.addr = _addr, \
.segment = _segment, \
}
实际上就是填充idt_data的各个字段。
传统系统调用的实现
这里所说的传统系统调用主要指旧的32位系统使用 int 0x80软件中断来进入内核态，实现的系统调用。因为这种传统系统调用方式需要进入内核后作权限验证，还要切换内核栈后作大量压栈方式，调用结束后清理栈作恢复，两个字太慢，后来CPU从硬件上支持快速系统调用sysenter/sysexit, 再后来又发展到syscall/sysret， 这两种都不需要通过中断方式进入内核态，而是直接转换到内核态，速度快了很多。
传统系统调用相关 IDT 的设置
- Linux系统启动过程中内核压解后最终都调用到
start_kernel, 在这里会调用trap_init, 然后又会调用idt_setup_traps:
void __init idt_setup_traps(void)
{
idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);
}
我们来看这里的def_idts的定义：
static const __initconst struct idt_data def_idts[] = {
....
#if defined(CONFIG_IA32_EMULATION)
SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_compat),
#elif defined(CONFIG_X86_32)
SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32),
#endif
};
上面的SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)就是设置系统调用的异常中断处理程序，其中 #define IA32_SYSCALL_VECTOR 0x80
再看一下SYSG的定义：
#define SYSG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)它初始化一个中断门，权限是DPL3, 因此从用户态是允许发起系统调用的。
- 我们调用系统调用，不大可能自已手写汇编代码，都是通过glibc来调用，基本流程是保存参数到寄存器，然后保存系统调用向量号到
eax寄存器，然后调用int 0x80进入内核态，切换到内核栈，将用户态时的ss/sp/eflags/cs/ip/error code依次压入内核栈。 -
entry_INT80_32系统调用对应的中断处理程序
ENTRY(entry_INT80_32)
ASM_CLAC
pushl %eax /* pt_regs->orig_ax */
SAVE_ALL pt_regs_ax=$-ENOSYS switch_stacks=1 /* save rest */
TRACE_IRQS_OFF
movl %esp, %eax
call do_int80_syscall_32
.Lsyscall_32_done:
...
.Lirq_return:
INTERRUPT_RETURN
...
ENDPROC(entry_INT80_32)
我们略去了中间的一些细节部分，可以看到首先将中断向量号压栈，再保存所有当前的寄存器值到pt_regs, 保存当前栈指针到%eax寄存器，最后再调用 do_int80_syscall_32, 这个函数中就会执行具体的中断处理，然后INTERRUPT_RETURN恢复栈，作好返回用户态的准备。
do_int80_syscall_32调用do_syscall_32_irqs_on,我们看一下其实现：
static __always_inline void do_syscall_32_irqs_on(struct pt_regs *regs)
{
struct thread_info *ti = current_thread_info();
unsigned int nr = (unsigned int)regs->orig_ax;
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
ti->status |= TS_COMPAT;
#endif
if (READ_ONCE(ti->flags) & _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY) {
nr = syscall_trace_enter(regs);
}
if (likely(nr < IA32_NR_syscalls)) {
nr = array_index_nospec(nr, IA32_NR_syscalls);
#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION
regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](regs);
#else
regs->ax = ia32_sys_call_table[nr](
(unsigned int)regs->bx, (unsigned int)regs->cx,
(unsigned int)regs->dx, (unsigned int)regs->si,
(unsigned int)regs->di, (unsigned int)regs->bp);
#endif /* CONFIG_IA32_EMULATION */
}
syscall_return_slowpath(regs);
}通过中断向量号nr从ia32_sys_call_table中断向量表中索引到具体的中断处理函数然后调用之，其结果最终合存入%eax寄存器。
一图以蔽之
idt3.jpg
硬件中断的实现
硬件中断的IDT初始化和调用流程
这里我们不讲解具体的代码细节，只关注流程 。
硬件中断相关IDT的初始化也是在Linux启动时完成，在start_kernel中通过调用init_IRQ完成，我们来看一下：
void __init init_IRQ(void)
{
int i;
for (i = 0; i < nr_legacy_irqs(); i++)
per_cpu(vector_irq, 0)[ISA_IRQ_VECTOR(i)] = irq_to_desc(i);
BUG_ON(irq_init_percpu_irqstack(smp_processor_id()));
x86_init.irqs.intr_init(); // 即调用 native_init_IRQ
}
void __init native_init_IRQ(void)
{
/* Execute any quirks before the call gates are initialised: */
x86_init.irqs.pre_vector_init();
idt_setup_apic_and_irq_gates();
lapic_assign_system_vectors();
if (!acpi_ioapic && !of_ioapic && nr_legacy_irqs())
setup_irq(2, &irq2);
}重点在于idt_setup_apic_and_irq_gates:
*/
void __init idt_setup_apic_and_irq_gates(void)
{
int i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR;
void *entry;
idt_setup_from_table(idt_table, apic_idts, ARRAY_SIZE(apic_idts), true);
for_each_clear_bit_from(i, system_vectors, FIRST_SYSTEM_VECTOR) {
entry = irq_entries_start + 8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR);
set_intr_gate(i, entry);
}
}其中的set_intr_gate用来初始化硬件相关的调用门，其对应的中断门处理函数在irq_entries_start中定义，它位于arch/x86/entry/entry_64.S中：
.align 8
ENTRY(irq_entries_start)
vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR
.rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)
UNWIND_HINT_IRET_REGS
pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */
jmp common_interrupt
.align 8
vector=vector+1
.endr
END(irq_entries_start)这段汇编实现对不大熟悉汇编的同学可能看起来有点晕，其实很简单它相当于填充一个中断处理函数的数组，填充多少次呢? (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)这就是次数，数组的每一项都是一个函数：
UNWIND_HINT_IRET_REGS
pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */
jmp common_interrupt即先将中断号压栈，然后跳转到common_interrupt执行，可以看到这个common_interrupt是硬件中断的通用处理函数，它里面最主要的就是调用do_IRQ:
__visible unsigned int __irq_entry do_IRQ(struct pt_regs *regs)
{
struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
struct irq_desc * desc;
/* high bit used in ret_from_ code */
unsigned vector = ~regs->orig_ax;
entering_irq();
/* entering_irq() tells RCU that we're not quiescent. Check it. */
RCU_LOCKDEP_WARN(!rcu_is_watching(), "IRQ failed to wake up RCU");
desc = __this_cpu_read(vector_irq[vector]);
if (likely(!IS_ERR_OR_NULL(desc))) {
if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32))
handle_irq(desc, regs);
else
generic_handle_irq_desc(desc);
} else {
ack_APIC_irq();
if (desc == VECTOR_UNUSED) {
pr_emerg_ratelimited("%s: %d.%d No irq handler for vector\n",
__func__, smp_processor_id(),
vector);
} else {
__this_cpu_write(vector_irq[vector], VECTOR_UNUSED);
}
}
exiting_irq();
set_irq_regs(old_regs);
return 1;
}首先根据中断向量号获取到对应的中断描述符irq_desc, 然后调用generic_handle_irq来处理：
static inline void generic_handle_irq_desc(struct irq_desc *desc)
{
desc->handle_irq(desc);
}这里最终会调用到中断描述符的handle_irq，因此另一个重点就是这个中断描述符的设置了，它可以单开一篇文章来讲，我们暂不详述了。