Linux中斷一網打盡(2) - IDT及中斷處理的實現
摘要：其中的set_intr_gate用來初始化硬件相關的調用門，其對應的中斷門處理函數在irq_entries_start中定義，它位於arch/x86/entry/entry_64.S中：。硬件中斷相關IDT的初始化也是在Linux啓動時完成，在start_kernel中通過調用init_IRQ完成，我們來看一下：。
通過閱讀本文，您可以瞭解到：IDT是什麼，它如何被初始化，什麼是門，傳統系統調用是如何實現的，以及硬件中斷的實現。
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如何設置IDT
IDT 中斷描述符表定義
中斷描述符表簡單來說說是定義了發生中斷/異常時，CPU按這張表中定義的行爲來處理對應的中斷/異常。
#define IDT_ENTRIES 256
gate_desc idt_table[IDT_ENTRIES] __page_aligned_bss;
從上面我們可以知道，其包含了256項，它是一個gate_desc的數據，其下標0-256就表示中斷向量，gate_desc我們在下面馬上介紹。
中斷描述符項定義
當中斷髮生，cpu獲取到中斷向量後，查找IDT中斷描述符表得到相應的中斷描述符，再根據中斷描述符記錄的信息來作權限判斷，運行級別轉換，最終調用相應的中斷處理程序。這裏涉及到Linux kernel的分段式內存管理，我們這裏不詳細展開，有興趣的同學可以自行學習。如下簡述之：
1. 我們知道CPU只認識邏輯地址，邏輯地址經分段處理轉換成線性地址，線性地址經分頁處理最終轉換成物理地址，這樣就可以從內存中讀取了；
2. 邏輯地址你可以簡單認爲就是CPU執行代碼時從CS(代碼段寄存器) ：IP （指令計數寄存器）中加載的代碼，實際上通過CS可以得到邏輯地址的基地址，再加上IP這個相對於基地址的偏移量，就得到真正的邏輯地址；
3. CS寄存器16位，它不會包含真正的基地址，它一般被稱爲段選擇子，包括一個index索引，指向GDT或 LDT的一項；一個指示位，指示index索引是屬於GDT還是LDT; 還有CPL, 表明當前代碼運行權限；
4. GDT: 全局描述符表，每一項記錄着相應的段基址，段大小，段的訪問權限DPL等，到這裏終於可以獲取到段基地址了，再加上之前IP寄存器裏存放的偏移量，真正的邏輯地址就有了。
我們先看中斷描述符的定義：
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：
1. offset_high,offset_middle和offset_low合起來就是中斷處理函數地址的偏移量；
2. segment就是相應的段選擇子，根據它在GDT中查找可以最終獲取到段基地址；
3. bits是該中斷描述符的一些屬性值：
struct idt_bits {
u16 ist : 3,
zero : 5,
type : 5,
dpl : 2,
p : 1;
} __attribute__((packed));
ist表示此中斷處理函數是使用pre-cpu的中斷棧，還是使用IST的中斷棧;
type表示所中斷是何種類型，目前有以下四種：
enum {
GATE_INTERRUPT = 0xE, //中斷門
GATE_TRAP = 0xF, // 陷入門
GATE_CALL = 0xC, // 調用門
GATE_TASK = 0x5, // 任務門
};
門的概念這裏主要用作權限控制，我們從一個區域進到另一個區域需要通過一扇門，有門禁權限纔可以通過，因此 dpl就是這個權限，實際中我們一般稱爲RPL；
我們後面會通過一個例子來講一下CPL,RPL和DPL三者之間的關係。
IDT中斷描述符本身的存儲
IDT 中斷描述符表的物理地址存儲在IDTR寄存器中，這個寄存器存儲了IDT的基地址和長度。查詢時，從 IDTR 拿到 base address ，加上向量號 * IDT entry size，即可以定位到對應的表項(gate)。
設置IDT
-
設置中斷門類型的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; // 中斷向量
data.addr = addr; // 中斷處理函數的地址
data.segment = __KERNEL_CS; // 段選擇子
data.bits.type = GATE_INTERRUPT; // 類型
data.bits.p = 1;
idt_setup_from_table(idt_table, &data, 1, false);
}
上面的函數主要是填充好idt_data，然後調用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結構來填充中斷描述符變量idt_init_desc, 然後將這個中斷描述符變量copy進idt_table。
看，就是這麼簡單~~~
-
gate_desc的多種初始化方法：
因爲gate_desc是通過ida_dat填充的，所以這裏關鍵是idt_data的初始化，我們詳細看一下：
/* Interrupt gate
中斷門，DPL = 0
只能從內核調用
*/
#define INTG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)
/* System interrupt gate
系統中斷門，DPL = 3
可以從用戶態調用，比如系統調用
*/
#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.
中斷門, DPL = 0
只能從內核態調用，使用TSS.IST[]作爲中斷棧
*/
#define ISTG(_vector, _addr, _ist) \
G(_vector, _addr, _ist + 1, GATE_INTERRUPT, DPL0, __KERNEL_CS)
/* Task gate
任務門， DPL = 0
只能作內核態調用
*/
#define TSKG(_vector, _gdt) \
G(_vector, NULL, DEFAULT_STACK, GATE_TASK, DPL0, _gdt << 3)
我們再來看下G這個宏的實現：
#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, \
}
實際上就是填充idt_data的各個字段。
2
傳統系統調用的實現
這裏所說的傳統系統調用主要指舊的32位系統使用 int 0x80軟件中斷來進入內核態，實現的系統調用。因爲這種傳統系統調用方式需要進入內核後作權限驗證，還要切換內核棧後作大量壓棧方式，調用結束後清理棧作恢復，兩個字太慢，後來CPU從硬件上支持快速系統調用sysenter/sysexit, 再後來又發展到syscall/sysret， 這兩種都不需要通過中斷方式進入內核態，而是直接轉換到內核態，速度快了很
傳統系統調用相關IDT的設置
Linux系統啓動過程中內核壓解後最終都調用到start_kernel, 在這裏會調用trap_init, 然後又會調用idt_setup_traps:
void __init idt_setup_traps(void)
{
idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);
}
我們來看這裏的def_idts的定義：
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)就是設置系統調用的異常中斷處理程序，其中 #define IA32_SYSCALL_VECTOR 0x80
再看一下SYSG的定義：
#define SYSG(_vector, _addr) \
G(_vector, _addr, DEFAULT_STACK, GATE_INTERRUPT, DPL3, __KERNEL_CS)
它初始化一箇中斷門，權限是DPL3, 因此從用戶態是允許發起系統調用的。
我們調用系統調用，不大可能自已手寫彙編代碼，都是通過glibc來調用，基本流程是保存參數到寄存器，然後保存系統調用向量號到eax寄存器，然後調用int 0x80進入內核態，切換到內核棧，將用戶態時的ss/sp/eflags/cs/ip/error code依次壓入內核棧。
entry_INT80_32系統調用對應的中斷處理程序：
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)
我們略去了中間的一些細節部分，可以看到首先將中斷向量號壓棧，再保存所有當前的寄存器值到pt_regs, 保存當前棧指針到%eax寄存器，最後再調用 do_int80_syscall_32, 這個函數中就會執行具體的中斷處理，然後INTERRUPT_RETURN恢復棧，作好返回用戶態的準備。
do_int80_syscall_32調用 do_syscall_32_irqs_on,我們看一下其實現：
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);
}
通過中斷向量號nr從ia32_sys_call_table中斷向量表中索引到具體的中斷處理函數然後調用之，其結果最終合存入%eax寄存器。
一圖以蔽之：
3
硬件中斷的實現
硬件中斷的IDT初始化和調用流程
這裏我們不講解具體的代碼細節，只關注流程 。
硬件中斷相關IDT的初始化也是在Linux啓動時完成，在start_kernel中通過調用init_IRQ完成，我們來看一下：
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(); // 即調用 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);
}
重點在於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用來初始化硬件相關的調用門，其對應的中斷門處理函數在irq_entries_start中定義，它位於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)
這段彙編實現對不大熟悉彙編的同學可能看起來有點暈，其實很簡單它相當於填充一箇中斷處理函數的數組，填充多少次呢? (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR)這就是次數，數組的每一項都是一個函數：
UNWIND_HINT_IRET_REGS
pushq $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */
jmp common_interrupt
即先將中斷號壓棧，然後跳轉到common_interrupt執行，可以看到這個common_interrupt是硬件中斷的通用處理函數，它裏面最主要的就是調用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;
}
首先根據中斷向量號獲取到對應的中斷描述符irq_desc, 然後調用generic_handle_irq來處理：
static inline void generic_handle_irq_desc(struct irq_desc *desc)
{
desc->handle_irq(desc);
}
這裏最終會調用到中斷描述符的handle_irq，因此另一個重點就是這個中斷描述符的設置了，它可以單開一篇文章來講，我們暫不詳述了。
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