docs/tutorial/3-interrupts.md

   1 ## 准备工作
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   3 ```sh
   4 git checkout fedfd71f5492177a7c7d7fd2bd1529a832106395
   5 ```
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   7 观看相应视频
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   9 ## 代码分析
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  11 软件或者硬件中断发生后，CPU会通过一个表去寻找一个函数指针，并调用。那么我们需要弄清楚怎么找怎么调用。
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  13 比如我们使用`int $0`（软件中断）会触发0号异常，CPU会根据IDTR来寻找IDT。最后根据IDT的第0项（不同于0号GDT为空）并把相关中断信息保存到栈上，最后调用指定函数。
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  15 IDT也是由8字节，也是通过IDTR来定位。boot.S新增了下面这段来初始化IDTR。和GDTR差不多，略过。
  16
  17 ```assembly
  18         movl $_idt, 2(%esp)
  19         movw _idt_limit, %ax
  20         movw %ax, (%esp)
  21         lidt (%esp)
  22 ```
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  24 接下来看看如何设置IDT的entry。
  25
  26 ```c
  27 void _set_idt_entry(uint32_t vector, uint16_t seg_selector, void (*isr)(), uint8_t dpl) {
  28     uintptr_t offset = (uintptr_t)isr;
  29     _idt[vector] = (offset & 0xffff0000) | IDT_ATTR(dpl);
  30     _idt[vector] <<= 32;
  31     _idt[vector] |= (seg_selector << 16) | (offset & 0x0000ffff);
  32 }
  33 ```
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  35 把段选择子（段寄存器存储的值）保存到16-31bits的位置，因为我们存的相当于函数指针，所以段选择子的值是CS段寄存器保存的值（指向代码段）。分段中设置了CS值为0x8。函数指针分成两个部分保存，48-63bits位置保存高16位，0-15bits保存低16位。根据Abort、Trap、Fault类型来设置8-11位。最后设置一下剩余的标志位即可。
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  37 下面是已经安装了一个0号异常处理函数
  38
  39 ```c
  40 void
  41 _init_idt() {
  42     _set_idt_entry(FAULT_DIVISION_ERROR, 0x08, _asm_isr0, 0);
  43 }
  44 ```
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  46 `_asm_isr0`实现在`arch/x86/interrupt.S`中下面代码
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  48 ```assembly
  49 .section .text
  50     isr_template 0
  51 ```
  52
  53 这里用到了一个伪指令`.macro`，起到宏的作用。
  54
  55 ```assembly
  56 .macro isr_template vector, no_error_code=1
  57     .global _asm_isr\vector
  58     .type _asm_isr\vector, @function
  59     _asm_isr\vector:
  60         .if \no_error_code
  61             pushl $0x0
  62         .endif
  63         pushl $\vector
  64         jmp interrupt_wrapper
  65 .endm
  66 ```
  67
  68 vector这里是0，那么`_asm_isr\vector`就是`_asm_isr0`。`no_error_code=1`表示默认值为1。
  69
  70 最后可以转换成下面代码。
  71
  72 ```assembly
  73     .global _asm_isr0
  74     .type _asm_isr0, @function
  75     _asm_isr0:
  76         .if 1
  77             pushl $0x0
  78         .endif
  79         pushl 0
  80         jmp interrupt_wrapper
  81 ```
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  83 这里是处理异常的部分，执行到了这里，CPU会把EFLAGS、CS、EIP保持在栈上给我们处理。也可能多push一个error code。这段宏的作用是根据是否需要手动push error code来定义函数，从而我们可以规范化这个结构，统一使用结构体`isr_param`来描述。`#pragma pack(push, 1)`和`#pragma pack(pop)`表示不对该结构体进行对齐。因为CPU给我们提供的数据也没有进行对齐处理。
  84
  85 ```c
  86 #pragma pack(push, 1)
  87 typedef struct {
  88     unsigned int vector;
  89     unsigned int err_code;
  90     unsigned int eip;
  91     unsigned short cs;
  92     unsigned int eflags;
  93 } isr_param;
  94 #pragma pack(pop)
  95 ```
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  97 因为栈没有对齐，而且调用函数前要先对齐栈，所以先要向上对齐，`movl %eax, (%esp)`把旧栈顶保存起来，调用`interrupt_handler`。
  98
  99 ```assembly
 100     interrupt_wrapper:
 101
 102         movl %esp, %eax
 103         andl $0xfffffff0, %esp
 104         subl $16, %esp
 105         movl %eax, (%esp)
 106
 107         call interrupt_handler
 108         pop %eax
 109         movl %eax, %esp
 110         addl $8, %esp
 111
 112         iret
 113 ```
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 115 调用完后，恢复旧栈顶，再恢复成未对齐的状态，执行iret（需要error code在栈上）。所以push error code是必要的。
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 117 因为栈顶保存的是旧栈顶的值，所以参数param指向旧栈顶。旧栈顶的值正好和param的字段一一对应。根据vector来分配调用指定函数。
 118
 119 ```c
 120 void
 121 interrupt_handler(isr_param* param) {
 122     switch (param->vector)
 123     {
 124         case 0:
 125             isr0(param);
 126             break;
 127     }
 128 }
 129 ```
 130
 131 isr0的功能就是清屏并打印信息。
 132
 133 ```c
 134 void isr0 (isr_param* param) {
 135     tty_clear();
 136     tty_put_str("!!PANIC!!");
 137 }
 138 ```
 139
 140 ## FAQ
 141
 142 **1.为什么本应该push error code的情况却没有push？**
 143
 144 int指令主动触发的中断不会push error code。
 145
 146 > If INT n provides a vector for one of the architecturally-defined exceptions, the processor generates an interrupt to the correct vector (to access the exception handler) but does not push an error code on the stack.[1]
 147
 148 下面这种被动触发会push error code。
 149
 150 ```c
 151 int a = 1/0;
 152 ```
 153
 154 **2.为什么有时候无法追踪异常来源？**
 155
 156 触发了Abort。之后我们会写一个打印内核调用栈的功能，触发Abort后，如果试图打印内核函数调用栈来搜索问题代码，最后会得到不可信的结果（大概率会访问未映射的内存，又触发General Protection）。
 157
 158 ## 参考
 159
 160 [1]Intel手册，Volume 3，6.4.2 Software-Generated Exceptions