X86_CPU对中断的硬件支持

《X86_CPU对中断的硬件支持》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、X86CPU对中断的硬件支持这篇文章不讨论严格意义上的中断响应全过程（比如说，怎样获得中断向量），而是着重讨论CPU在响应中断时，即在得到了中断向量以后，怎样进入相应的中断服务程序的过程。这是从操作系统的角度需要关心的问题。IntelX86CPU支持256个不同的中断向量，这一点至今未变。可是，早期X86CPU的中断响应机制是非常原始、非常简单的。在实地址模式中，CPU把内存中从0开始的1K字节作为一个中断向量表。表中的每个表项占四个字节，由两个字节的段地址和两个字节的位移组成。这样构成的地址便是相应中断服务程序的入口地址。这

2、与16位实地址模式中的寻址方式也是一致的。但是，在这样的机制上是不能构筑现代意义的操作系统的，即使把16位寻址模式改成32位寻址，即使实现了页式存储管理，也还是无济于事。原因在于，这个机制中并没有提供空间切换，或者说运行模式切换的手段。为了理解这一点，让我们来看看其他的CPU是怎么做的。你也许知道，早期的UNIX是在PDP-11上实现的。PDP-11的CPU中有一个与X86的FLAGS寄存器相类似的控制状态寄存器，称为PSW（处理器状态字）。PSW中有一个位段决定了CPU的当前运行优先级和模式（系统或用户）。在用户程序中是不能

3、通过直接修改PSW来达到调高优先级的目的的。在PDP-11的中断向量表中，每个表项由两部分组成，一部分是相应中断服务程序的入口地址，另一部分就是当CPU进入中断服务程序后的PSW。当然，中断向量表的内容只有当CPU处于系统模式时才能改变。当中断发生时，CPU从向量表将PSW装入其控制状态寄存器，而将中断服务程序的入口地址装入程序计数器，从而达到既转入相应的中断服务程序，又从一种运行模式切换到另一种运行模式（或优先级别）的双重目的。至于原来的PSW则随中断返回地址一起被压入堆栈，以便CPU从中断服务程序返回时能回到原来的运行模式

4、。这样，就很自然地实现了运行状态的切换。CPU平时处于用户状态，无论是因为外部中断还是系统调用（由软件产生的中断），或是某种异常，都会通过中断向量表进入系统状态，执行完中断服务程序后返回时便又恢复原状，回到用户状态。相比之下，我们可以清楚地看到，X86实地址模式下的中断响应过程所缺少的就是类似于PDP-11对PSW的处理。因此，Intel在实现保护模式时，对CPU的中断响应机制作了大幅度的修改。首先，中断向量表中的表项从单纯的入口地址改成了类似于PSW加入口地址并且更为复杂的描述项，称为“门”（gate），意思是当中断发生时必

5、须先通过这些门，才能进入相应的服务程序。但是，这样的门并不光是为中断而设的，只要想切换CPU的运行状态，即其优先级别，例如从用户的3级进入系统的0级，就都要通过一道门。而从用户状态进入系统状态的途径也并不只限于中断（或异常，或陷阱），还可以通过子程序调用指令CALL和转移指令JMP来达到目的。而且，当中断发生时不但可以切换CPU的运行状态并转入中断服务程序，还可以安排进行一次任务切换（所谓“上下文切换”），立即切换到另一个进程。因此在操作系统中可以设立一个“中断服务程序（任务）”，每当中断发生时就切换到该进程【？？】。按不同的

6、用途和目的，CPU中一共有四种门，即任务门（taskgate）、中断门（interruptgate）、陷阱门（trapgate）以及调用门（callgate）。其中除任务门外其他三种门的结构基本相同，不过调用门并不是与中断向量表相联系的。先看任务门，其大小为64位，结构如下所示。TSS段选择码的作用和段寄存器CS、DS的等相似，通过GDT或LDT指向特殊的“系统段”中的一种，称为“任务状态段”（taskstatesegment）TSS。TSS实际上是一个用来保存任务运行“现场”的数据结构，其中包括CPU中所有具体进程有关的寄存

7、器的内容（包含页面目录指针CR3），还包括了三个堆栈指针。中断发生时，CPU在中断向量表中找到相应的表项。如果此表项是一个任务门，并且通过了优先级别的检查，CPU就会将当前任务的运行现场保存在相应的TSS中，并将任务门所指向的TSS作为当前任务，将其内容装入CPU中的各个寄存器，从而完成了一次任务的切换。为此目的，CPU中又增设了一个“任务寄存器”TR，用来指向当前任务的TSS。在Linux内核中，一个任务就是一个进程，但是进程的“控制块”，即task_struct结构中需要存放更多的信息。所以，从这个意义上讲，Linux的进

8、程又并不完全是Intel设计意图中的任务。读者后面会看到，Linux内核并不采用任务门作为进程切换的手段。通过任务门切换到一个新的任务并不是唯一的途径，例如在程序中也可以用CALL指令或JMP指令通过调用门达到同样的目的。DPL位段的作用后面还要讨论。除任务门外，其余三种门的