内核中断初始化过程

《中断与异常（AMD64架构）_1》，主要从硬件角度分析amd64 x86 cpu 中的一些基本概念，以及如何配置x86 cpu的中断向量表等。由于中断需要在内核启动较早的时候进行配置，而此时由于一些资源还未初始化完成，因此早期使用的中断处理函数和最终使用的中断处理函数会有差别，根据启动的不同阶段其设置的中断函数也稍微不同。整个内核中断初始化过程也稍微有点复杂，需要梳理内核启动过程才能更加清楚中断初始化为什么这么做：

中断向向量表在初始化过程如图上述5个过程，分别安装不同的中断的门描述到中断向量表中：

系统上电，经由BIOS初始化并引导进行内核启动函数x86_64_start_kernel函数进入内核启动程序，该函数首先做一系列初始化函数包括对早期中断向量表安装函数idt_setup_early_handler，安装必要的中断对应的处理函数。
经过一段初始化后，继续安装一些trap类型的中断idt_setup_early_traps，命令early的意思就是由于早期初始化过程一些资源还未初始化好，但是又不得不使用该中断，所以只能使用特定的一些中断及对应的中断处理函数，等所需要资源初始化完成之后再安装正常的中断处理函数。
专门安装page fault中断处理函数idt_setup_early_pf。
trap_init() 由于此时资源已经准备完毕，可以安装完整的trap 类型中断。
idt_setup_apic_and_irq_gates：安装apic 相关中断以及对本地cpu的中断处理函数。

1：early_idt_handler_array

early_idt_handler_array是内核启动之后，安装的第一个中断相关处理函数，其安装函数为：

idt_setup_early_handler()

idt_setup_early_handler主要kernel 初期所安装使用的中断向量表，由于太过于早期，需要安装特殊的中断处理函数，所支持的中断处理函数也比较少：

void __init idt_setup_early_handler(void)
{int i;for (i = 0; i < NUM_EXCEPTION_VECTORS; i++)set_intr_gate(i, early_idt_handler_array[i]);
#ifdef CONFIG_X86_32for ( ; i < NR_VECTORS; i++)set_intr_gate(i, early_ignore_irq);
#endifload_idt(&idt_descr);
}

使用set_intr_gate，设置中断到中断表idt_table中，NUM_EXCEPTION_VECTORS宏为32，意思是只安装硬件保留的32个中断对应的中断函数
如果是32为 x86系统则需要安装irq 早期中断
load_idt(&idt_descr)，在《中断与异常（AMD64架构）_1》已经说明主要是将中断向量表idt_table地址和大小设置到中断中断向量寄存器中。

early_idt_handler_array变量

early_idt_handler_array变量是定义早期中断相关处理函数数组，early_idt_handler_array声明如下：

extern const char early_idt_handler_array[NUM_EXCEPTION_VECTORS][EARLY_IDT_HANDLER_SIZE];

early_idt_handler_array为一个二维数组，NUM_EXCEPTION_VECTORS* EARLY_IDT_HANDLER_SIZE其中NUM_EXCEPTION_VECTORS为32表示为所有预留的32个向量，每个向量对应大小为EARLY_IDT_HANDLER_SIZE 9个字节，其格式为2个字节的备用指令用于向栈中压入默认错误码（如果异常本身没有提供错误码），2个字节的指令用于向栈中压入向量号，剩余5个字节用于跳转到异常中断处理程序。

定义问题，由于early_idt_handler_array数组需要在早于kernel 启动之前定义并初始化，而在调用kernel之前都是一堆汇编启动，因此只能通过汇编语将该数组定义并初始化(位于arch\x86\kernel\head_64.s文件中）：

SYM_CODE_START(early_idt_handler_array)i = 0.rept NUM_EXCEPTION_VECTORS.if ((EXCEPTION_ERRCODE_MASK >> i) & 1) == 0UNWIND_HINT_IRET_REGSpushq $0    # Dummy error code, to make stack frame uniform.elseUNWIND_HINT_IRET_REGS offset=8.endifpushq $i       # 72(%rsp) Vector numberjmp early_idt_handler_commonUNWIND_HINT_IRET_REGSi = i + 1.fill early_idt_handler_array + i*EARLY_IDT_HANDLER_SIZE - ., 1, 0xcc.endrUNWIND_HINT_IRET_REGS offset=16
SYM_CODE_END(early_idt_handler_array)

SYM_CODE_START 和 SYM_CODE_END为内核使用语法表示一段代码起始和结束位置，意思是明确表明知道这段代码段是做什么用的，类似与已经弃用的ENTRY 和END：

SYM_CODE_START and SYM_CODE_START_LOCAL should be used only in special cases – if you know what you are doing. This is used exclusively for interrupt handlers and similar where the calling convention is not the C one. _NOALIGN variants exist too

rept指令为binutils汇编指令，其格式为.rept count, 其中count为重复后面endr之前的代码次数，例如：

.rept   3
.long   0
.endr
上述用例是.rept 3重复执行endr之前代码long 0三次，执行效果相等于：
.long   0
.long   0
.long   0
在SYM_CODE_START(early_idt_handler_array) 代码中：
.rept NUM_EXCEPTION_VECTORS... ...
.endr
NUM_EXCEPTION_VECTORS 为32，意思为重复执行endr之前代码32次，循环处理处理每个中断处理函数。

pushq $0 和 pushq $i 分别将返回值错误码和中断向量号进入到栈中
jmp early_idt_handler_common 跳入到中断通用中断处理中。
.fill 指令填充数个 0xcc，.fill 指令格式如下：

.fill repeat , size , value

early_idt_handler_common

early_idt_handler_common代码段主要处理中断：

SYM_CODE_START_LOCAL(early_idt_handler_common)/** The stack is the hardware frame, an error code or zero, and the* vector number.*/cldincl early_recursion_flag(%rip)/* The vector number is currently in the pt_regs->di slot. */pushq %rsi              /* pt_regs->si */movq 8(%rsp), %rsi          /* RSI = vector number */movq %rdi, 8(%rsp)            /* pt_regs->di = RDI */pushq %rdx               /* pt_regs->dx */pushq %rcx              /* pt_regs->cx */pushq %rax              /* pt_regs->ax */pushq %r8               /* pt_regs->r8 */pushq %r9               /* pt_regs->r9 */pushq %r10              /* pt_regs->r10 */pushq %r11             /* pt_regs->r11 */pushq %rbx             /* pt_regs->bx */pushq %rbp              /* pt_regs->bp */pushq %r12              /* pt_regs->r12 */pushq %r13             /* pt_regs->r13 */pushq %r14             /* pt_regs->r14 */pushq %r15             /* pt_regs->r15 */UNWIND_HINT_REGScmpq $14,%rsi      /* Page fault? */jnz 10fGET_CR2_INTO(%rdi)  /* can clobber %rax if pv */call early_make_pgtableandl %eax,%eaxjz 20f         /* All good */10:movq %rsp,%rdi     /* RDI = pt_regs; RSI is already trapnr */call early_fixup_exception20:decl early_recursion_flag(%rip)jmp restore_regs_and_return_to_kernel
SYM_CODE_END(early_idt_handler_common)

pushq %rsi 将rsi寄存器的值存放到栈中，后续用于存放向量号
movq 8(%rsp), %rsi：将中断向量号存放到rsi中
movq %rdi, 8(%rsp)：将rdi 寄存器中的内容存放到rsp寄存器中
pushq %rdx ... pushq %r15 将一系列后续要用到的寄存器保存入栈，用于后续返回现场使用
cmpq $14,%rsi：单独处理14号中断（page fault):
如果是缺页中断，则从CR2寄存器中获取到GET_CR2_INTO(%rdi) 缺页地址到rdi寄存器中（rdi寄存器x86系统下用于传参）
page fault中断调用early_make_pgtable，用于处理page fault中断，由于在系统早期很多资源buddy，以及内核先吃等还未启动，因此page fault此时只能在早期单独进行管理，管理结构early_top_pgt
如果不是page fault中断，则通过jnz 10f跳转到early_fixup_exception对其他中断统一处理，从main_extable_sort_needed 中查找是否有对应的中断处理。
%eax寄存器用来放early_make_pgtable函数的返回值，andl用于检查返回值通过求与，如果为0则调restore_regs_and_return_to_kernel，对返回值进行处理。

可以看到早期early_idt_handler_array中断处理表中主要是对page fault异常进行专门处理。

2：idt_setup_early_trap()

idt_setup_early_traps()函数主要用于安装早期的一些特殊trap类型中断，函数如下：

void __init idt_setup_early_traps(void)
{idt_setup_from_table(idt_table, early_idts, ARRAY_SIZE(early_idts),true);load_idt(&idt_descr);
}

所安装的中断全部位于early_idts表中，同时调用load_idt()刷新中断向量表寄存器。

early_idts

early_idts中支持的中断如下：

static const __initconst struct idt_data early_idts[] = {INTG(X86_TRAP_DB,      asm_exc_debug),SYSG(X86_TRAP_BP,        asm_exc_int3),#ifdef CONFIG_X86_32/** Not possible on 64-bit. See idt_setup_early_pf() for details.*/INTG(X86_TRAP_PF,      asm_exc_page_fault),
#endif
};

所支持的中断为X86_TRAP_DB 和X86_TRAP_BP，如果是x86 32位系统则还支持X86_TRAP_PF，x86 64位系统后面通过idt_setup_early_pf刷新。

3：idt_setup_early_pf

idt_setup_early_pf()函数，主要是x86 64位系统更新page fault:

void __init idt_setup_early_pf(void)
{idt_setup_from_table(idt_table, early_pf_idts,ARRAY_SIZE(early_pf_idts), true);
}

early_pf_idts

early_pf_idts支持的中断如下：

/** Early traps running on the DEFAULT_STACK because the other interrupt* stacks work only after cpu_init().*/
static const __initconst struct idt_data early_pf_idts[] = {INTG(X86_TRAP_PF,      asm_exc_page_fault),
};

4：Trap中断更新

经过初始化之后，之前的early trap已经不在实用，需要重新更新trap相关中断

idt_setup_traps

/*** idt_setup_traps - Initialize the idt table with default traps*/
void __init idt_setup_traps(void)
{idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);
}

从def_idts 中更新相关支持的trap类型中断。

def_idts

def_idts支持的中断如下：


/** The default IDT entries which are set up in trap_init() before* cpu_init() is invoked. Interrupt stacks cannot be used at that point and* the traps which use them are reinitialized with IST after cpu_init() has* set up TSS.*/
static const __initconst struct idt_data def_idts[] = {INTG(X86_TRAP_DE,       asm_exc_divide_error),INTG(X86_TRAP_NMI,        asm_exc_nmi),INTG(X86_TRAP_BR,      asm_exc_bounds),INTG(X86_TRAP_UD,       asm_exc_invalid_op),INTG(X86_TRAP_NM,       asm_exc_device_not_available),INTG(X86_TRAP_OLD_MF,     asm_exc_coproc_segment_overrun),INTG(X86_TRAP_TS,       asm_exc_invalid_tss),INTG(X86_TRAP_NP,      asm_exc_segment_not_present),INTG(X86_TRAP_SS,      asm_exc_stack_segment),INTG(X86_TRAP_GP,        asm_exc_general_protection),INTG(X86_TRAP_SPURIOUS,     asm_exc_spurious_interrupt_bug),INTG(X86_TRAP_MF,       asm_exc_coprocessor_error),INTG(X86_TRAP_AC,        asm_exc_alignment_check),INTG(X86_TRAP_XF,      asm_exc_simd_coprocessor_error),#ifdef CONFIG_X86_32TSKG(X86_TRAP_DF,       GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS),
#elseINTG(X86_TRAP_DF,      asm_exc_double_fault),
#endifINTG(X86_TRAP_DB,     asm_exc_debug),#ifdef CONFIG_X86_MCEINTG(X86_TRAP_MC,       asm_exc_machine_check),
#endifSYSG(X86_TRAP_OF,     asm_exc_overflow),
#if defined(CONFIG_IA32_EMULATION)SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_compat),
#elif defined(CONFIG_X86_32)SYSG(IA32_SYSCALL_VECTOR,   entry_INT80_32),
#endif
};

idt_setup_ist_traps

继续更新trap相关中断：


/*** idt_setup_traps - Initialize the idt table with default traps*/
void __init idt_setup_traps(void)
{idt_setup_from_table(idt_table, def_idts, ARRAY_SIZE(def_idts), true);
}

可以看到本质上还是更新def_idts。

5：更新ACPI和IRQ相关中断

最好更新ACPI和IRQ相关中断

idt_setup_apic_and_irq_gates

/*** idt_setup_apic_and_irq_gates - Setup APIC/SMP and normal interrupt gates*/
void __init idt_setup_apic_and_irq_gates(void)
{int i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR;void *entry;idt_setup_from_table(idt_table, apic_idts, ARRAY_SIZE(apic_idts), true);for_each_clear_bit_from(i, system_vectors, FIRST_SYSTEM_VECTOR) {entry = irq_entries_start + 8 * (i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR);set_intr_gate(i, entry);}#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APICfor_each_clear_bit_from(i, system_vectors, NR_VECTORS) {/** Don't set the non assigned system vectors in the* system_vectors bitmap. Otherwise they show up in* /proc/interrupts.*/entry = spurious_entries_start + 8 * (i - FIRST_SYSTEM_VECTOR);set_intr_gate(i, entry);}
#endif/* Map IDT into CPU entry area and reload it. */idt_map_in_cea();load_idt(&idt_descr);/* Make the IDT table read only */set_memory_ro((unsigned long)&idt_table, 1);idt_setup_done = true;
}

ACPI中断来源与apic_idts表中
CONFIG_X86_LOCAL_APIC 如果本地cpu有特殊的中断，则进行更新

apic_idts

apic_idts相关支持的中断如下：

/** The APIC and SMP idt entries*/
static const __initconst struct idt_data apic_idts[] = {
#ifdef CONFIG_SMPINTG(RESCHEDULE_VECTOR,            asm_sysvec_reschedule_ipi),INTG(CALL_FUNCTION_VECTOR,       asm_sysvec_call_function),INTG(CALL_FUNCTION_SINGLE_VECTOR, asm_sysvec_call_function_single),INTG(IRQ_MOVE_CLEANUP_VECTOR,      asm_sysvec_irq_move_cleanup),INTG(REBOOT_VECTOR,            asm_sysvec_reboot),
#endif#ifdef CONFIG_X86_THERMAL_VECTORINTG(THERMAL_APIC_VECTOR,     asm_sysvec_thermal),
#endif#ifdef CONFIG_X86_MCE_THRESHOLDINTG(THRESHOLD_APIC_VECTOR,        asm_sysvec_threshold),
#endif#ifdef CONFIG_X86_MCE_AMDINTG(DEFERRED_ERROR_VECTOR,      asm_sysvec_deferred_error),
#endif#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APICINTG(LOCAL_TIMER_VECTOR,      asm_sysvec_apic_timer_interrupt),INTG(X86_PLATFORM_IPI_VECTOR,      asm_sysvec_x86_platform_ipi),
# ifdef CONFIG_HAVE_KVMINTG(POSTED_INTR_VECTOR,     asm_sysvec_kvm_posted_intr_ipi),INTG(POSTED_INTR_WAKEUP_VECTOR,     asm_sysvec_kvm_posted_intr_wakeup_ipi),INTG(POSTED_INTR_NESTED_VECTOR,      asm_sysvec_kvm_posted_intr_nested_ipi),
# endif
# ifdef CONFIG_IRQ_WORKINTG(IRQ_WORK_VECTOR,            asm_sysvec_irq_work),
# endif
# ifdef CONFIG_X86_UVINTG(UV_BAU_MESSAGE,           asm_sysvec_uv_bau_message),
# endifINTG(SPURIOUS_APIC_VECTOR,       asm_sysvec_spurious_apic_interrupt),INTG(ERROR_APIC_VECTOR,         asm_sysvec_error_interrupt),
#endif
};

参考资料

https://www.kernel.org/doc/html/latest/asm-annotations.html

Rept (Using as)

早期的中断和异常控制 · Linux Insides中文

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