Linux中断工作流程中断处理过程将所有寄存器的值入栈将异常码中断号入栈将当前的函数返回值入栈为了能够在中断执行完成后恢复到被中断的地方中断执行过程 调用对应的中断执行函数中断恢复过程函数返回值出栈寄存器值出栈Linux0.11的内核版本还没有中断上下半部的产生内核代码非常精简其设计哲学就是简单直接。它会在中断处理函数如do_divide_error中一次性完成所有相关工作处理完后再返回被中断的进程。对应源码中断前和中断后的过程中断执行过程硬件中断处理过程asm.straps.c软件及系统调用的处理过程system_call.sfork.c signal.c exit.c sys.casm.s8086CPU寄存器8086CPU中寄存器总共14个均为16位分别是AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI,IP,FLAG,CS,DS,SS,ES其中AX,BX,CX,DX称为数据寄存器SPBP称为指针寄存器SI,DI称为变址寄存器IPFLAG成为控制寄存器CSDSSSES是段寄存器中断时栈图这里使用的是IA32处理器几个寄存器变量名字不一样但是本质功能都是相同的这里以没有错误码的no_error_code为例_divide_error: pushl $_do_divide_error no_error_code: xchgl %eax,(%esp) pushl %ebx pushl %ecx pushl %edx pushl %edi pushl %esi pushl %ebp push %ds push %es push %fs pushl $0 # error code lea 44(%esp),%edx pushl %edx movl $0x10,%edx mov %dx,%ds mov %dx,%es mov %dx,%fs call *%eax addl $8,%esp pop %fs pop %es pop %ds popl %ebp popl %esi popl %edi popl %edx popl %ecx popl %ebx popl %eax iret硬件压栈在上面代码中可以看到在最开始就直接pushdo_divide_error函数地址了所以根据栈图前面的ssESPEFLAGSCS以及EIP程序断点地址都是中断发生时硬件自动压栈软件压栈1.在_divide_error一开始可以看到是先把do_divide_error函数地址压栈然后进入了no_error_code流程此时栈顶指针sp指向了这块内存。2.然后xchgl命令是交换ax和sp指向地址的值%eax寄存器拿到了_do_divide_error的函数入口地址。这样后续执行call *%eax时就能正确跳转到 C 语言写的除法异常处理函数。栈顶(%esp)被写入了原始 EAX 寄存器的值。这样原始 EAX 的数据就被安全地保存在栈里了后续和其他寄存器EBX、ECX 等一起作为“现场”被保存下来。3.然后正常push其余各个寄存器4.当前由于没有错误码所以直接push一个0,作为占位5.接下来有一个指令lea 44(%esp),%edx这是取sp指针加44的内存位置存放到dx寄存器当中而sp在执行命令时正指向错误码他与EIP正好相差44个所以也就是获取得到EIP值在内存中的位置并且后面push将EIP的地址放入栈。后续会把这个地址作为参数传递给中断处理函数4.准备内核数据movl $0x10, %edx是准备内核数据段选择子0x10在 Linux 0.11 的内核中是内核数据段Kernel Data Segment的选择子也就是KERNEL_DS。在 i386 保护模式下段寄存器存放的是描述符索引。0x10对应的二进制是0001 0000索引为 2RPL0它指向 GDT全局描述符表中的内核数据段描述符该段的基址是 0大小是 4GB。mov %dx, %ds/es/fs是去替换段寄存器在这几行代码执行之前CPU一直处于用户态指向用户进程自己的数据空间。DS、ES、FS里存的是用户数据段的选择子比如0x17即USER_DS指向用户进程自己的数据空间。而接下来马上要执行call *%eax这会跳转到 C 语言编写的内核函数如do_divide_error。C 函数编译后的代码默认假设DS和ES指向内核数据段因为它要访问内核全局变量比如current进程结构。它要访问内核栈上的数据。它不能依赖用户态的段寄存器否则会寻址错误甚至导致 CPU 产生保护异常。所以在调用 C 函数之前必须强制把DS、ES、FS切换为内核数据段0x10。5.调用中断处理函数call *%eax这里ax存放的就是中断处理函数的地址出栈在调用完成中断处理函数并且切换回用户态之后就要开始进行数据出栈addl $8,%esp这里是把sp指针加8回到存放FS寄存器的地方然后依次pop出栈数据最后调用iret返回到用户进程trap.cdie函数仍然以上面divide_error为例调用到trap.c中的do_divide_errorvoid do_divide_error(long esp, long error_code) { die(divide error,esp,error_code); }这个函数里面只做了一件事就是调用die函数/** * brief 该子程序用来打印出错中断的名称、出错号、调用程序的 EIP、EFLAGS、ESP、fs 段寄存器值、 * 段的基址、段的长度、进程号 pid、任务号、10 字节指令码。如果堆栈在用户数据段则还 * 打印 16 字节的堆栈内容 display segment exception * * param str 提示字符串 * param esp_ptr ESPExtended Stack Pointer为扩展栈指针寄存器,存放函数栈顶指针;EBPExtended Base Pointer用于存放函数栈底指针 * param nr error code */ static void die(char * str,long esp_ptr,long nr) { long * esp (long *) esp_ptr; int i; printk(%s: %04x\n\r,str,nr0xffff); printk(EIP:\t%04x:%p\nEFLAGS:\t%p\nESP:\t%04x:%p\n, esp[1],esp[0],esp[2],esp[4],esp[3]); printk(fs: %04x\n,_fs()); printk(base: %p, limit: %p\n,get_base(current-ldt[1]),get_limit(0x17)); //get_base is in sched.h if (esp[4] 0x17) { printk(Stack: ); for (i0;i4;i) printk(%p ,get_seg_long(0x17,i(long *)esp[3])); printk(\n); } str(i); printk(Pid: %d, process nr: %d\n\r,current-pid,0xffff i); for(i0;i10;i) printk(%02x ,0xff get_seg_byte(esp[1],(i(char *)esp[0]))); printk(\n\r); do_exit(11); /* play segment exception */ }die函数主要是用来打印出错中断名称出错号调用程序的EIP寄存器段等值其中esp_ptr就是前面传递近来的参数指向的EIP在内存中的地址在die中long * esp (long *) esp_ptr;让esp指向了这个位置。从这个地址开始从低地址到高地址的内存布局如下数组下标内存地址相对存储内容解释esp[0]0原始EIP被中断时的指令指针偏移esp[1]4原始CS被中断时的代码段选择子esp[2]8原始EFLAGS被中断时的标志寄存器esp[3]12原始ESP用户态被中断时的栈指针偏移esp[4]16原始SS用户态被中断时的栈段选择子trap_init中断程序初始化子程序void trap_init(void) { int i; set_trap_gate(0,divide_error); set_trap_gate(1,debug); set_trap_gate(2,nmi); set_system_gate(3,int3); /* int3-5 can be called from all */ set_system_gate(4,overflow); set_system_gate(5,bounds); set_trap_gate(6,invalid_op); set_trap_gate(7,device_not_available); set_trap_gate(8,double_fault); set_trap_gate(9,coprocessor_segment_overrun); set_trap_gate(10,invalid_TSS); set_trap_gate(11,segment_not_present); set_trap_gate(12,stack_segment); set_trap_gate(13,general_protection); set_trap_gate(14,page_fault); set_trap_gate(15,reserved); set_trap_gate(16,coprocessor_error); for (i17;i48;i) set_trap_gate(i,reserved); set_trap_gate(45,irq13); outb_p(inb_p(0x21)0xfb,0x21); outb(inb_p(0xA1)0xdf,0xA1); set_trap_gate(39,parallel_interrupt); }这里有两个函数set_trap_gate和set_system_gate他们都是内核初始化阶段**设置中断描述符表IDTInterrupt Descriptor Table**的核心操作// 伪代码逻辑 #define set_trap_gate(n, addr) _set_gate(idt[n], 15, 0, addr) #define set_system_gate(n, addr) _set_gate(idt[n], 15, 3, addr)它们往 IDT 表中写入一个门描述符8 字节包含处理函数地址addr如divide_error段选择子固定为内核代码段0x08门类型15表示陷阱门不屏蔽外部中断DPL描述符特权级——这就是两者的关键差异。二者的不同在于函数DPL特权级谁可以调用int触发它典型用途set_trap_gate0内核态仅内核代码可以触发。用户态程序执行int 0会触发GPF通用保护错。内核专用的严重异常除零、页错误、NMI 等。set_system_gate3用户态用户态和内核态都可以触发。允许用户程序主动调用的陷阱调试断点int3、溢出into、以及系统调用int 0x80。普通异常如除零、缺页默认设为set_trap_gate只允许内核触发。用户态若发生CPU 会先陷入内核由内核的异常处理函数来“杀死”该进程而不会被恶意利用。故意留给用户的接口如断点调试、系统调用必须设为set_system_gate否则用户程序根本无权执行int 3或int 0x80。