Linux 0.11源码阅读笔记-中断过程

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

1. 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。
2. 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
3. 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。
4. 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。
5. 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。

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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
2. 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。
3. 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。