6.2 中断

中断使我们可以在任意时刻修改程序的控制流。当程序正在执行时，外部事件(设备需要 CPU 来处理) 或者内部事件(除数为零，执行指令的特权级别不够，访问非权威地址)都会引起中断，而中断会使原本控制流程之外的代码被执行。这段代码叫作中断处理程序，中断处理程序一般是操作系统或者驱动程序的一部分。

在 [15] 中，Intel 把外部的异步中断和内部的同步异常进行了分离，不过这两种情况的处理方式是类似的。

每一个中断都会被标记一个固定的数值，这个数值就是它的身份标志。对于我们来说处理程序是怎么从中断 controller 中拿到这个中断编号的并不重要。

当第 n 个中断发生时，CPU 会检查内存中的中断描述符表(IDT)。和 GDT 类似，其地址和大小是在 idtr 中存储的，图 6-2 描述了这个特殊的寄存器：

Figure 6-2.idtr 寄存器

IDT 的每一个条目都有 16 字节，第 n 个条目对应第 n 个中断。该条目包含的信息中有例如中断处理器的地址之类。图 6-3 描述了中断描述符的格式。

Figure 6-3.中断描述符

DPL 描述符特权级别(Descriptor Privilege Level)

• 当前特权级别应该要小于等于 DPL 才能使用 int 指令调用中断处理器。否则 check 行为都不会进行。

1110 类型(中断门，interrupt gate，IF 标记会在中断处理器中被自动 clear 掉) 或者 1111 类型(陷阱门，trap gate，IF 标记不会被 clear)。

前 30 个中断是被保留的。也就是说你不能自己提供这几个中断的中断处理处理程序，但 CPU 会使用这些保留的中断来处理其内部的一些事件，例如非法的指令编码。除保留中断以外的中断可以被系统程序员使用。

当 IF 标记位被设置时，中断就会被处理；否则中断则会被忽略。

■Question 96 什么是 non-maskable 中断？这种中断和编码为 2 的中断和 IF flag 有什么关系？

应用程序代码在较低的权限下执行(ring3)。直接的设备控制只能在高级的特权级别下执行。当设备需要 CPU 响应并发送中断给 CPU 时，处理程序需要在高特权级别下进行执行，因此需要修改段选择器。

那栈的话呢？这时候栈也应该被切换啊。下面是我们在设置中断描述符的 IST 字段时需要的一些选项：

如果 IST 是 0，那么标准策略会被采用。当中断发生时，ss 寄存器被初始化为 0，新的 rsp 值被加载到 TSS 中。然后 ss 的 RPL 字段被设置为合适的特权级别。之后旧的 ss 和 rsp 值被保存到这个新的栈中。

如果 IST 是 1，那么在 TSS 中的七个 IST 的其中一个会被采用。之所以要创建 IST 是因为发生一些严重的错误(non-maskable 中断，双重错误等等)时，在一个已知的栈中执行是可以受益的。所以系统程序员即使是在 ring0 下也会创建一些栈，并使用它们来处理特定的中断。

有一个特殊的 int 指令，这条指令接收中断编号。并依据其描述符内容来调用一段中断处理程序。这个过程会忽略 IF flag：无论 IF 被设置成了什么值，中断处理程序都会被执行。为了控制 int 指令执行的特权代码，就是 DPL 字段的存在意义了。

在中断处理程序开始执行之前，一些寄存器被自动保存进栈。这些寄存器包括 ss，rsp，rflags，cs 和 rip。参见图 6-4 中的栈图。注意段选择器是如何使用零填充到 64 位的。

Figure 6-4.中断处理器开始时的栈情况

有时中断处理程序需要事件更多的信息。这时候一个中断错误码会被推到其栈顶。这个错误码包含了这种类型的中断的各种各样的信息。

很多中断在 Intel 的文档中都有特殊的助记符。例如，第 13 号中断被称为#GP(general protection)。你可以在表 6-1 中找到一些有趣的中断的简短描述。

Table 6-1.一些重要的中断

并不是所有的二进制代码中的指令都被正确编码了。当 rip 没有指向一个有效的指令地址时，CPU 会产生一个 #UD 中断。

#GP 中断使用非常普遍。当你解引用一个禁用地址(没有指向任意已分配页)时就会触发这种中断，或者当执行需要更高特权级别的操作时也会触发这种中断，还有很多其它情况。

当访问一个内存页，且内存页的页表条目的 present flag 被清零时，就会产生 #PF 中断。该中断用来实现内存交换策略以及文件映射功能。中断处理程序将未命中的页从磁盘加载到内存中。

debugger 会强依赖于 #BP 中断。当 rflags 中的 TF 被标记时，这个中断就会在每一次执行指令时被触发，这样就允许程序的一步步执行了。显然，这种中断默认会被操作系统所处理。因此，给用户程序提供操作这种中断的接口就是操作系统的责任了，这样才能让程序员去编写它们自己的 debugger。

总结一下，当第 n 个中断发生时，在程序员看来会有下面的一些行为发生：

1. 从 idtr 寄存器中取出 IDT 地址。
2. 用 IDT 的第 128 × n 个字节开始定位到中断描述符。
3. 从 IDT 条目中加载段选择器和中断处理程序的地址，并保存到 cs 和 rip 寄存器，可能还会切换特权级别。旧的 ss，rsp，rflags，cs 和 rip 像图 6-4 展示的一样保存到栈上。
4. 对于某些中断来说，错误码会被推到中断处理程序的栈顶。这样可以提供中断原因的更多信息。
5. 如果描述符类型字段将其定义为中断门(Interrupt Gate)，那么 IF flag 就会被清零。如果是陷阱门(Trap Gate)，则不会自动清零，这样允许嵌套的中断处理。

如果中断 flag 在中断处理程序开始之后没有被立即清零，我们没有任何办法保证中断处理甚至是其第一条指令被执行，因为这期间可能还会有其它的异步中断出现，这一点需要我们格外注意。

■Question 97 TF flag 会在进入中断处理器时自动被 clear 么？参考 [15]。

中断处理程序使用 iretq 指令来结束，该指令会恢复之前保存在栈里的所有寄存器，这些寄存器在图 6-4 中有所体现。而简单的 call 指令只会恢复 rip 寄存器。