内核2 中断与异常处理

关于中断和异常，相信学习过计算机组成原理（计算机体系结构）、操作系统原理的同学们都有一定的了解。这里就不再赘述它们的定义了。接下来我们来看一下中断和异常处理的具体实现。

异常处理

让我们先来看一下intel给出的cpu可以处理的异常类型：
error1
error2
那么cpu如何捕捉到这些异常呢？让我们以除零异常为例。假如内核代码中有一条代码为

1
int a = 1 / 0;

那么cpu在执行这条指令时，会检测到除零异常，现在我们要将异常处理函数配置给cpu。进入保护模式后，bios提供的中断向量表就不能用了，我们需要使用中断描述符表(IDT)来完成这些功能。

设置idt并加载异常处理函数

idt表项有多种类型，如任务门、中断门、陷阱门等。在这里我们只用到了中断门，其结构如下：
interrupt gate
如何设置表项？cpu检测到异常后，根据向量号在idt中取出表项，再根据选择子取出gdt中的表项，组合起来就是异常处理函数的入口。由于我们采用的平坦模型，所以段选择子我们可以使用代码段选择子，偏移量设置为异常处理函数的入口，这样在发生异常的时候就可以跳转到相应的处理函数中了。

和gdt表类似，idt表也是由表项组成的数组，我们按照上图定义好的异常的顺序，在数组的每一项中设置好段选择子、偏移量、属性值（参考手册），再使用lidt指令将其加载到idtr寄存器中就可以了。不过这其中有一个问题，从异常（中断）返回时要用到iret指令，但是一般的函数返回是ret指令，所以我们要在汇编代码中手动来写iret指令，完成中断返回的功能。在iret之前，我们还有一项重要的工作要做，即保存上下文。相信学习过计算机组成原理（计算机体系结构）、操作系统原理的同学们都听说过保护现场这个词，关于它的作用和重要性也不必多说。我们现在要做的就是这个事。那么如何进行现场保护及恢复呢？最简单的方法就是在调用C异常处理函数之前push所有寄存器，在C异常处理函数处理完毕之后再按顺序pop所有的寄存器，然后再iret就可以了。我们在汇编代码中可以通过call指令调用C函数作为真正的异常处理函数，这样我们就可以在异常发生的时候输出一些信息和进行一些操作，目前我们采取的措施是停机并输出寄存器信息，通过输出的eip值，再查看反汇编就可以定位到错误的代码处。以后可能会加输出错误代码是哪一条的功能。

异常处理过程

现在再梳理一下异常处理的过程。cpu初始化时会加载irq初始化函数，在这里设置好中断描述符表的每一项，并加载到idtr中。cpu检测到异常时，会从idt中取表项并执行对应的汇编处理函数。在汇编处理函数中先保护现场，再调用C处理函数，然后恢复现场并iret。

中断处理

中断的设置、打开与关闭

中断处理大多来源于io设备，在早期x86处理器使用了8259控制器来管理中断，最多可支持15种中断。中断信号发出后首先由8259控制器进行控制，然后再由8259给cpu发送中断请求。如果我们要使用8259芯片，则需要做一些特殊的初始化，即对ICW1~ICW4，IMR寄存器的某些位进行设置，详细设置可以参考8259芯片手册。

中断的打开与关闭受制于两个因素，一个是8259芯片中的IMR寄存器，另一个是eflags寄存器中的if标志位。if位是全局标志位，IMR用于打开特定的中断。全局中断打开用sti指令，关闭用cli指令。在IMR中打开某一个序号的特定中断只需要将序号的位设置为0，关闭则为置1。

设置第一个中断：定时器中断

时钟在计算机内部十分重要，我们后续一些功能的编写也要用到时钟功能，所以要首先初始化定时器中断。

在早期计算机中，定时器的实现是用8253芯片。在这个系统中主要用到了8253中的定时器0和命令端口，对于这两个端口的设置请参考手册。在8253的配置中，有一个供给芯片内部使用的计数值，含义是达到中断毫秒数所需要的时间频率，当这个计数值减为零，就达到了设定的中断时间，cpu发生一次定时中断，计数值重设为初始值继续中断过程。

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static void init_pit(void)
{
    uint32_t reload_count = PIT_OSC_FREQ / (1000.0 / OS_TICK_MS);
    outb(PIT_COMMAND_MODE_PORT, PIT_CHANNLE0 | PIT_LOAD_LOHI | PIT_MODE3);
    outb(PIT_CHANNEL0_DATA_PORT, reload_count & 0xFF);
    outb(PIT_CHANNEL0_DATA_PORT, (reload_count >> 8) & 0xFF);

    irq_install(IRQ0_TIMER, (irq_handler_t)exception_handler_timer);
    irq_enable(IRQ0_TIMER);
}

计时器中断处理时可以使ticks++来判断中断了多少时间。在完成一次中断后，还要告诉8259芯片中断已完成，这样它才能进行后面的中断。告诉8259芯片的方法为向OCW2寄存器中写入1<<5，这样就可以一直产生中断了。

Attention：

①中断描述符表的0-31号被cpu内部所占用，所以用户自定义中断不能放在0-31处，cpu同样通过偏移量和选择子来确定中断处理程序的入口地址。

②IF位在进入中断的时候会自动清零。（这个知识点好像在汇编语言学过？）

③CPU如何找到表项？具体来说，当发生除零异常/定时器中断时，cpu如何知道对应的处理函数在哪个表项中？
我的理解如下：对应异常，只能按照手册中规定好的顺序进行配置，例如将除零异常和debug异常的表项对调一下，发生除零异常的时候就会跳转到debug异常了。对于中断我也不是很明白，猜测应该是8259芯片在发送中断信号的时候会将对应的表项信息传递给cpu。