Linux Kernel之 IDT

@vrqq  March 4, 2018
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看了那么多介绍，只怪自己英文太渣，中文的又强行翻译，很是难过。
所以莫慌，我看了好多还是觉得乱了吧唧的，现在按照此文重新来过吧。

整个文章均以intel x86-64 (i386)的CPU举例，先来看一下Linux的中断系统。
在没有Kernel之前，这个cpu就是高级的单片机，而这个单片机的datasheet写的就是bios使用说明。
然后我们现在有了Linux，这个单片机变得高贵了起来。

CPU做单片机使用时，我们要操作它的寄存器。
假设此时bios已经初始化完成了它和外设的连接，即：cpu可以访问内存了，cpu可以在显示器上显示东西了，总之cpu可以调动主板上的一切东西。
（先看一个名词叫：Privilege Level我们暂且跳过他，对全文理解无影响。）

Interrupt Descriptor Table (IDT)

叫中断描述表，这个表存在内存上。
这个表里面最多能存256条信息，每一条称为一个entry，也称为一条interrupt vector(中断向量)。
（对于64位系统）每条信息长度128bit (128/8 = 16 Bytes)，因此整个表占了内存16*256 = 4kB这么大。

对于cpu而言，我要提前知道这个表存在了哪里，因此cpu有个专门的寄存器IDTR用来存IDT这个表的{开头位置,大小}。
IDTR寄存器挺长的，分成一大一小两部分，前半部分存“IDT开头地址”，后半部分存“IDT有多长”。
\t\\例如：第80条vector在内存里面的地址 = IDTR.base + 8016 详情可用下面代码测试一下*

Linux启动时会在内存里开一块空间重新建Interrupt Descriptor Table，然后使用asm(LIDT)指令修改cpu寄存器IDTR的值，这才从bios过渡到了Linux。
Interrupt Descriptor Table里面的每一条称为entry/vector，一共有4种不同类型的vector，分别叫：

  • Call gates
  • Trap gates (属于一种特殊的Call gates)
  • Interrupt gates (亦属于一种特殊的Call gates)
  • Task gates
    这个就是许多翻译中提到的“任务门”/“中断门”/“陷阱门”，忘记中文吧我们现在只知道他们叫Gate。

这几种Gate的格式不一样！
举个例子 "interrupt gate" (type = 14 or 6)：

  • 无论是asm(int)产生的，还是cpu做了“100除以0”，抑或是我们敲击键盘，step1 它产生了。
  • step2 这些interrupt通过层层电路传达给cpu，但在cpu看来没什么区别，都叫interrupt。传到cpu时候带着vectorID，然后cpu查IDT表找到这条vector，看属于哪种Gate再决定怎么处理。
  • step3 cpu查到这条vector是interrupt gate类型的，那么cpu执行：关中断(IF-bit in EFLAGS)，然后调vector里面存的handler function。
  • handler function 是我们自己写的代码，finally 跑完调用asm(IRET)结束此次中断处理。
其实这么来看，起名gate很机制啊，cpu作为硬件电路，提前预留了几个gate，然后中断来了，cpu指点它穿过gate，交给我们写的代码处理。

【扩展】《Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual》 - Volume 3A - 5.8.2 Gate Descriptors : https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/architecture-and-technology/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3a-part-1-manual.html

【必看】更多详情请移步阅读：注意64位cpu参考IA-32e https://wiki.osdev.org/Interrupt_Descriptor_Table
以及https://stackoverflow.com/questions/3425085/the-difference-between-call-gate-interrupt-gate-trap-gate

谨记，永远都是先由cpu处理中断，然后cpu再把中断分发给我们写的处理函数。而不同的Gate是给cpu看的，跟我们的处理函数没关。

【扩展】我们在没有linux时候，bios下中断能干啥：http://blog.csdn.net/pdcxs007/article/details/43378229
【扩展】在多个cpu时，每个CPU都有IDTR寄存器，但是这些CPU的IDTR都指向同一个地址。即：无论多少cpu，linux下都只有一张Interrupt Descriptor Table（中断表）。 http://blog.chinaunix.net/uid-27717694-id-4055450.html

然后我们写个module把Interrupt Descriptor Table打出来

这些是关键代码，建议尝试一下，建个module丢进去就好。Kernel保护系统很到位，所以我们只能在Module里面动手一试了！
API参照：https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/arch/x86/include/asm/desc_defs.h#L69
以及参照上述intel手册中Figure 6-7. 64-Bit IDT Gate Descriptors

#include <asm/desc.h>
#include <asm/desc_defs.h>

unsigned long i;
int vectorID=0;
gate_desc *eachVector;
struct desc_ptr pldt;
asm volatile("sidt %0" : "=m" (pldt) );
printk("IDT starting at 0x%lx, IDT length=0x%x.\neach vector size = %ld Bytes\n", pldt.address, pldt.size, sizeof(ldt_desc));
for ( i=pldt.address; i<pldt.address+pldt.size; i+=sizeof(ldt_desc) ) {
    eachVector = (gate_desc*)i;
    printk("vector %2d, segment=0x%x, offset=0x%08x 0x%04x 0x%04x  {IST=%d, GateType=%d, Privilege=%d} Valid(P)=%d.\n", 
            vectorID++, eachVector->segment, 
            eachVector->offset_high, eachVector->offset_middle, eachVector->offset_low,
            eachVector->bits.ist, eachVector->bits.type, eachVector->bits.dpl, eachVector->bits.p);
}

我的cpu intel core i7-2820，运行在64位模式下，可以看到：
idt.jpeg
发现，在Linux 4.x里面，IDT里面一切vector都使用interrupt gate类型？别再是打错表了吧囧。。。。。
转念一想，linux 4.x里不允许“中断处理”嵌套了（包括软件模拟的嵌套也不让），所谓“嵌套”(re-entrant)指的当前这个interrupt正处理着呢，又来一个中断，kernel把当前这个中断放下转手去处理新的，然后呢新的处理完返回后，接着运行上个干着一半的。
所以初始化时候应该都用interrupt gate吧，下文引自《Intel® 64 and IA-32手册》卷3。

Because IA-32 architecture tasks are not re-entrant, an interrupt-handler task must disable interrupts between the time it completes handling the interrupt and the time it executes the IRET instruction.
A TSS allows only one context to be saved for a task; therefore, once a task is called (dispatched), a recursive (or re-entrant) call to the task would cause the current state of the task to be lost.
这样就明白了，cpu在硬件实现上不支持嵌套，如果我们非要软件模拟嵌套(re-entrant)，也许可以这样做：
还是在IDT表里写interrupt gate，然后在处理函数里写：保存寄存器->开中断->真正的处理函数->关中断->还原寄存器。在操作开关中断时候要上锁吧，那么问题来了，要看是怎么实现锁的，锁莫非就是关调度器，关中断？值得深思。。。

也不知进入protect mode之前，有用trap gate的没？？只见在kernel启动时候non-early interrupt init部分大量使用set_intr_gate。。

上面输出的IST（Interrupt Stack Table）：是x86-64模式下的新玩意，在x86-64这个模式下，有最多7个process候着等着处理interrupt。那么处理过程中难免要开变量啊，传参啊，保存状态啊什么的，那么这个IST[i]就是给第i个process留的风水宝地啦。

总之吧，现在cpu越来越厉害，硬件能干的越来越多，kernel以后要做也许的会越来越少吧。。。。。。
本章完。

Interrupt Gate详解

上文说到了Linux在IDT里面用的全是interrupt gate，这个省心，cpu负责enable/disable interrupt，防止处理到一半有新来的中断搅合。

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