Linux0.11源码阅读笔记中断过程

编程

Linux 0.11源码阅读笔记-中断过程

是什么中断

中断发生时,计算机会停止当前运行的程序,转而执行中断处理程序,然后再返回原被中断的程序继续运行。中断包括硬件中断和软件中断,硬中断是由外设自动产生的,软中断是程序通过int指令主动调用。中断产生时,会有一个中断号,根据中断号可在中断向量表中选择对应的中断处理程序执行。

中断在linux当中非常重要,是用户态代码与和心态代码相互切换运行的桥梁。进程调度依赖于时钟中断进入内核,系统调用也是依赖int 80软中断进入内核执行。

中断处理过程

以int 80中断为例。system_call过程代码是 int 80中断处理程序,是所有系统调用的入口。位于linux-0.11/kernel/system_call.s文件中。

sytem_call执行过程

  1. 保存运行环境:保存被中断程序的运行环境,包括指令地址(PC)、段等寄存器的值。
  2. 执行系统调用:根据系统调用号,查找系统调用函数地址表,并执行系统调用函数
  3. 执行调度程序:判断进程时间片是否处于不可运行状态(时间片用完或者处于阻塞状态),若不可运行,则执行调度程序。
  4. 进行信号处理:若被中断程序为用户态进程,会先判断信号是否产生,并执行相应的信号处理程序。
  5. 恢复运行环境:恢复被中断程序的运行环境。

system_call代码及注释

### int 0x80 - linux系统调用入口点(调用中断int 0x80,eax 中是调用号)

system_call:

cmpl $nr_system_calls-1,%eax # 调用号如果超出范围的话就在eax中置-1并退出

ja bad_sys_call

# 保存原段寄存器值

push %ds

push %es

push %fs

# edx、ecx、ebx作为系统调用的参数

pushl %edx

pushl %ecx # push %ebx,%ecx,%edx as parameters

pushl %ebx # to the system call

# 设置内核段

movl $0x10,%edx # set up ds,es to kernel space

mov %dx,%ds

mov %dx,%es

# fs指向用户程序的数据段。

movl $0x17,%edx # fs points to local data space

mov %dx,%fs

# 调用系统调用号对应的系统调用函数

call sys_call_table(,%eax,4) # 间接调用指定功能C函数

pushl %eax # 把系统调用返回值入栈

# 如果进程时间片(counter)用完或者状态(state)非就绪,则执行调度程序

movl current,%eax # 取当前任务(进程)数据结构地址→eax

cmpl $0,state(%eax) # state

jne reschedule

cmpl $0,counter(%eax) # counter

je reschedule

# 中断处理程序后半段,返回被中断程序继续执行。

ret_from_sys_call:

# 若被中断程序为0号进程,直接返回。

movl current,%eax # task[0] cannot have signals

cmpl task,%eax

je 3f # 向前(forward)跳转到标号3处退出中断处理

# 若被中断程序运行在内核态(例如其它可被中断中断程序),则直接返回

cmpw $0x0f,CS(%esp) # was old code segment supervisor ?

jne 3f

cmpw $0x17,OLDSS(%esp) # was stack segment = 0x17 ?

jne 3f

# 若被中断程序为用户进程,则先处理进程的信号

# 通过信号位图,判断产生的信号,然后调用do_signal执行对应的信号处理程序

movl signal(%eax),%ebx # 取信号位图→ebx,每1位代表1种信号,共32个信号

movl blocked(%eax),%ecx # 取阻塞(屏蔽)信号位图→ecx

notl %ecx # 每位取反

andl %ebx,%ecx # 获得许可信号位图

bsfl %ecx,%ecx # 从低位(位0)开始扫描位图,看是否有1的位,若有,则ecx保留该位的偏移值

je 3f # 如果没有信号则向前跳转退出

btrl %ecx,%ebx # 复位该信号(ebx含有原signal位图)

movl %ebx,signal(%eax) # 重新保存signal位图信息→current->signal.

incl %ecx # 将信号调整为从1开始的数(1-32)

pushl %ecx # 信号值入栈作为调用do_signal的参数之一

call do_signal # 调用C函数信号处理程序(kernel/signal.c)

popl %eax # 弹出入栈的信号值

# 返回被中断程序

3: popl %eax # eax中含有上面入栈系统调用的返回值

popl %ebx

popl %ecx

popl %edx

pop %fs

pop %es

pop %ds

iret # 特权级中断返回指令

用户栈与内核栈之间的切换

特权级发生变化时,会涉及到内核栈和用户栈的切换。linux具有两个特权级,内核态(0)和用户态(3)。int指令可以从用户态转入内核态,iret指令可以从内核态返回用户态。

用户栈到内核栈

中断引起CPU特权级从3级到0级的变化,此时CPU会进行用户栈到内核栈的切换操作。

  1. 获取内核栈内存地址信息。CPU从当前任务状态段TSS(PCB)中取得新栈的段选择符和偏移值,内核栈指针从TSS的ss0(选择符)和esp0字段中获得。
  2. 将用户栈地址信息保存在内核栈中。将用户态栈指针和代码地址信息ss、esp、cs、eip压入内核栈中。
  3. 将ss、esp、cs、eip指向内核栈和代码地址。

内核栈到用户栈

iret指令引起CPU特权级从0级到3级的变化,此时CPU会进行内核栈到用户栈的切换操作。

iret指令将先前压入内核栈的用户进程栈和代码地址信息cs、esp、ss、esp信息从栈里弹出,加载到相应的寄存器中,重新执行用户进程。

进程调度的实现机制

每个用户进程有自己的内核栈,进程调度时,将栈寄存器指向需要运行的进程的内核栈,执行iret指令即可继续运行该进程。

内核栈的切换

进程调度的通过内核栈之间的切换,实现进程之间的切换运行。为什么每个进程都需要一个内核栈?进程需要保存运行状态信息(各种寄存器信息),等待被调度程序选中运行。

进程切换

进程切换的实质在于进程状态(上下文)的切换,即将CPU的当前进程状态替换成新进程的状态。被替换进程的进程状态会保存在其对应的tss数据结构中,等待恢复运行。任务寄存器TR会保存当前任务的TSS指针,TSS数据结构总保存进程的运行状态。

具体过程为:

  1. 当前进程通过中断进入内核,用户态ss、esp、cs、ip寄存器信息保存在内核栈中,切换到内核态运行,使用内核堆栈
  2. schedule调度程序时,将当前进程内核态运行信息保存在当前任务的tss数据结构中,然后切换到新进程的内核运行状态,在内核中运行新的进程。
  3. 新运行的进程通过iret指令从内核态转到用户态运行,用户态的运行状态信息在其内核栈中。

参考

  • Linux 内核完全注释 内核版本0.11 - 赵炯

PS:错漏指出,请大佬指正,在评论区可交流学习。

以上是 Linux0.11源码阅读笔记中断过程 的全部内容, 来源链接: utcz.com/z/520293.html

回到顶部