Linux内核学习篇三：中断处理 -- asm.s和traps.c

从本篇开始，我们将陆续对kernel目录进行分析和总结。linux/kernel文件夹中的程序主要完成进程调度和系统调用等功能。

从功能上来说，主要是以下三类：

1）中断处理程序文件

2）系统调用服务处理文件

3）进程调度等通用文件

由于kernel目录比较复杂，本篇先主要分析和介绍1）内核中断处理程序文件的实现。

一、中断处理的程序/文件

linux/kernel目录下的中断处理文件主要是两个：asm.s 和 traps.c。当然，像在system_call.s文件中，还包含了系统调用中断（int128）, 时钟中断（int32），软盘中断（int38）等多个中断的处理过程。但是我们这里选择将system_call.s放在2）系统调用篇中进行介绍。

关于asm.s 和 traps.c 两个程序文件的关系：asm.s 是汇编文件，主要实现大部分硬件中断（异常）引起的中断处理过程；trap.c 是C语言源文件，内部是各种中断处理的C函数，这些函数在asm.s中进行调用。

所以总结一下：

1）中断处理程序主要指的是asm.s 和 traps.c。但是没有涵盖全部的中断处理。本篇只介绍asm.s 和 traps.c两个文件。

2）关于二者的关系：traps.c 负责声明和定义各种中断的C函数，然后asm.s 通过调用 trap.c 中的各种C函数，实现真正的中断处理。

二、中断基本知识

这里为了下面更好的理解源代码。先来回顾一下中断的基本内容。

中断分为硬件中断和软件中断。

中断范围：int0 ~ int255。

int0 ~ int31 : 软件中断，由Intel固定设置的。

int32 ~ int255: 可由用户自己设置。其中int32 ~ int47 对应8259A的IRQ0 ~ IRQ15中断。

特殊的一个：int128 为系统调用中断（system_call）。

三、中断发生时的堆栈变化情况

上图可以非常清楚的展示中断发生时堆栈的变化情况。即中断发生前，需要将图中的信息按照先后顺序，压入中断处理程序的堆栈中。下面进行具体的分析：

SS（stack segment）: 堆栈段

ESP（extended stack pointer）: 堆栈指针

EFLAGS : 状态标志寄存器

CS（code segment）: 代码段

EIP（extended instruction pointer） : 中断后要执行的下一条指令的地址

图中有四个图，分别代表有/无出错码，有/无优先级变化的四种组合情况。

1）有/无出错码：我们只需知道，对于某些中断，比如：int0 是不需要保存出错码的，而像int8等中断是需要保存出错码的。所以对于不同的中断，堆栈变化不同。需要保存出错码的，必须在堆栈最后压入出错码。

2）有/无优先级变化：如果中断发生前处于用户态（优先级==3级），发生中断时需要变为内核态（优先级==0级），我们称其为中断时的优先级发生了变化。对于优先级变化的中断，需要在堆栈的一开始压入 SS 和 ESP , 它们分别代表用户态下的堆栈段和堆栈指针。这里的目的是为了保存上下文。

总结如下：

1）中断过程，实质上就是保存上下文的过程，所以体现在中断处理程序的堆栈发生变化。

2）对于不同类型的中断，要考虑是否保存出错码；对于优先级变化的中断，要考虑保存用户态的SS和ESP。

3）中断过程就是 “中断前，将当前数据压入堆栈” -> “asm.s 调用 traps.c 处理中断程序”-> “中断完成后，将数据压出堆栈，恢复状态”

四、中断处理文件 --- asm.s

了解了中断发生时的中断程序的堆栈变化情况，我们就可以分析程序了，因为程序就是按照上述堆栈的变化情况来编写的。

asm.s 涵盖了 int0 ~ int15 中除int7，int14之外的一共14个中断处理程序。还记得吗？这些中断在“二、中断基本知识”中提到过，它们都是Intel固定设置的软件中断。

asm.s 采用了AT&T汇编格式进行编写，首先在程序开始，声明了所有的中断函数名称。如下所示：

在“一、中断处理的程序/文件”中，我们提到过 asm.s 中调用的函数是在 traps.c 中定义的，所以看到这里大家明白了吗？由于traps.c 中定义的函数在 asm.s 中无法直接调用，所以需要先用“.globl”进行声明才能调用（相当于C语言中的extern声明）。另外，一个小插曲，比如这里的“_divide_error”是函数的入口地址，是 traps.c 中“void divide_error(void)”的入口地址，名称也是非常的相似~因为它们都是一一对应的。

asm.s 程序的核心是以下两个函数。

1）no_error_code: 此汇编函数负责编写了不需要出错码的入栈，处理，出栈的代码。

2）error_code: 此汇编函数负责编写了添加出错码的入栈，处理，出栈的代码。

五、中断处理文件 --- traps.c

之前也反复强调了，traps.c 程序包含了 asm.s 中所有中断函数的函数原型。中断发生时，asm.s 会 “call” 这些函数，处理中断。

问题：那 traps.c 中的这些函数到底是怎样处理中断的呢？

答案：打印错误信息，这可能会让你失望了，不过确实如此，对于Inter这些固定的软件中断（int0 ~ int16），当发生时，我们所做的也就是打印出中断的名称，出错号，寄存器信息，进程信息等等。

所有中断发生时打印中断信息，这个过程是通过 “die函数”实现的。下面给出die函数原型。

六、篇尾总结

本篇主要是介绍内核中的中断处理过程和程序，介绍了中断的基本知识，特别是针对 int0 ~ int16 的各个中断，分析了两个关键文件 asm.s 和 traps.c 。重点说明了文件中的关键函数和实现过程。本篇主要进行总结和归纳，致力于能够最简便的理清内核中断处理的关系和过程，如果对细节感兴趣的同学可以继续阅读源代码，加强学习~

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