Linux操作系统-中断、异常及系统调用.ppt

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1、10.510.5中断、异常及系统调用中断、异常及系统调用内容内容 中断中断/异常的基本知识异常的基本知识 异常的处理异常的处理 系统调用系统调用 中断的处理中断的处理 软中断软中断 10.5.1 10.5.1 中断中断/异常的基本知识异常的基本知识异异常常 由CPU产生，同步中断产生的通常情况是执行指令却遇上异常情况，常见的异常有除零、溢出及页面异常等。另一种情况种是使用int 指令，Linux使用该指令来实现系统调用。中中断断 分为可屏蔽的和不可屏蔽的两类，由一些硬件设备产生,可以在指令执行的任意时刻产生 中断/异常的发生都将导致核心态代码的运行中断即可能发生在用户态，也可能发生在核心态，并

2、且中断的嵌套发生往往是允许的。异常大部分发生在用户态，但是页面异常可能发生在核心态。异常也最多可能两层嵌套，绝大多数情况是只有一级异常异常的处理过程中可能产生中断,反之则不可能中断向量表中断向量表IDTIDTIDT是中断/异常处理在内核的入口。IDT表项还记录了一些其它信息用以安全检查。IDT在系统初始化时创建。每个中断/异常都有一个向量号，该号的值在0255之间，该值是中断/异常在IDT中的索引。每个中断/异常均有其相应的处理函数，中断/异常在使用前必须在IDT中注册信息以保证发生中断/异常时能找到相应的处理函数。IDT中向量号的使用情况如下：031 异常与非屏蔽中断使用。3247 可屏蔽中

3、断使用32至47 128（0 x80）实现系统调用。其余 未使用保存现场 发生异常时在核心栈的程序计数器eip的值取决于具体情况。一般情况下eip保存的下一条指令的地址，但对于页面异常，保存的产生异常的这条指令的地址而不是下一条指令的地址10.5.2 异常的处理函数异常处理的一般流程如下：（1）保存大多数寄存器的值到核心模式栈上。（2）调用相应的处理函数。（3）跳转到ret_from_exception标号处退出。大多数异常处理函数的过程是：（1）硬件错误码和异常向量号存入当前进程。（2）发出一个相应的信号给当前进程非上述情况的例子：页面异常 struct task_struct*tsk=cu

4、rrent;/*current 为当 前进程*/tsk-thread.error_code=error_code;/*error_code 为硬件错误码*/tsk-thread.trap_no=trapnr;/*trapnr为异常 向量号*/if(info)force_sig_info(signr,info,tsk);else force_sig(signr,tsk);从ret_from_exception处返回用户空间时，将会检查进程是否有信号等待处理。如果有，则看进程是否有自己的信号处理函数，有则调用它，否则采用内核对信号的缺省处理，一般是将该进程杀死。10.5.3 10.5.3 系统调用

5、系统调用 用户程序通过系统调用切换到核心态从而可以访问相应的资源。这样做的好处是：使编程更加容易。有利于系统安全。接口统一有利于移植。系统调用的执行过程系统调用的执行过程。以fork（）为例，在libc库相应的实现有如下的语句：movl$2,%eax int$0 x80int$0 x80 指令是所有系统调用的统一入口，fork（）系统调用的编号为2。系统在初始化设置了0 x80号异常的处理函数为sys_call()，该函数执行下面一条语句：call*SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)sys_call_table为系统调用表，该表保存的是各个系统调用的入口地

6、址，下面列出了系统调用表的最前面三项：ENTRY(sys_call_table).long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/*第0号*/.long SYMBOL_NAME(sys_exit).long SYMBOL_NAME(sys_fork)从而fork（）函数对应的系统调用为sys_fork（），该函数又调用do_fork()完成具体的工作 10.5.410.5.4中断上半部分的处理中断上半部分的处理一、中断控制器每个硬件设设备备控控制制器器都能通过中断请求线发出中断请求（简称IRQ）所有设备的中断请求线又连到中中断断控控制制器器的输入端。在x86单CPU的机器上采

7、用两个8259A芯片作为中断控制器，一主一从。当8259A有中断信号输入同时中断信号不被屏蔽时，主8259A向CPU发出 INT信号，请求中断。这时如果CPU是处于允许中断状况，CPU就会发信号给8259A进入中断响应周期。在对8259A芯片的初始化过程中，第n号中断在IDT表中的向量号为 n+32 因为中断请求线的数目有限，所以几个设备共享一根线是有必要的。当这根输入线有中断请求时，处理程序需要依次查询这些设备，以确定究竟是哪一个设备发出了中断请求。二、管理中断的数据结构hw_interrupt_type结构描述中断控制器，Linux支 持 多 种 中 断 控 制 器，hw_interrup

8、t_type是根据它们的共性抽象出来的一致接口 struct hw_interrupt_type const char*typename;unsigned int(*startup)(unsigned int irq);void(*shutdown)(unsigned int irq);void(*enable)(unsigned int irq);void(*disable)(unsigned int irq);void(*ack)(unsigned int irq);void(*end)(unsigned int irq);void(*set_affinity)(unsigned int

9、irq,unsigned long mask);对于8259A芯片来讲，它的具体成员如下：static struct hw_interrupt_type i8259A_irq_type=XT-PIC,startup_8259A_irq,shutdown_8259A_irq,enable_8259A_irq,disable_8259A_irq,mask_and_ack_8259A,end_8259A_irq,NULL;typedef struct hw_interrupt_type hw_irq_controller;irq_desc_t结构用来描述中断源，数组irq_desc 描述所有的中断源

10、。typedef struct unsigned int status;/*IRQ 状态*/hw_irq_controller*handler;/*该中断所属的中断控 制器*/struct irqaction*action;unsigned int depth;spinlock_t lock;_cacheline_aligned irq_desc_t;irq_desc_t irq_desc NR_IRQS;irqaction结构记录当中断发生时具体的处理函数struct irqaction void(*handler)(int,void*,struct pt_regs*);/*具体的处理函数*

11、/unsigned long flags;unsigned long mask;const char*name;void*dev_id;struct irqaction*next;/*利用该成员形成链表*/;irq_desc_t的 action成 员 实 际 是 一 个irqaction结构的链表，因为多个设备可能共享一个中断源,每个设备都必须提供一个irqction结构挂入action链表。设备通过函数request_irq（）注册一个IRQ号，并提供相应的处理函数。下面是软驱驱动程序初始化时的代码：request_irq(FLOPPY_IRQ,floppy_interrupt,SA_INT

12、ERRUPT|SA_SAMPLE_RANDOM,floppy,NULL);FLOPPY_IRQ是IRQ号,floppy_interrupt（）是处理函数。如果该函数成功的话，irq_descFLOPPY_IRQ的action成员将会指向一个新分配的irqaction结构，该结构的handler指向floppy_interrupt（）。三、三、中断的处理过程中断的处理过程(1)中断信号由外部设备发送到中断控制器，中断控制器根据IRQ号转换成相应的中断向量号传给CPU。(2)CPU接收中断后，保存现场，根据中断向量号到IDT中查找相应的处理函数。对于IRQ n的中断，它的处理函数IRQn_inte

13、rrutp()。(3)调用do_IRQ()函数。该函数完成对中断控制器确认、设置中断源状态等动作，接着它会根据IRQ号找到描述中断具体动作的irqaction结构变量action，执行如下代码：(4)最后do_IRQ()函数要检查是否有软中断，如有则调用do_softirq()执行软中断。(5)跳转到 ret_from_intr退出，恢复中断前的现场。do status|=action-flags;action-handler(irq,action-dev_id,regs);/*调用设备的处理函数*/action=action-next;while(action);while循环是用来处理设备

14、共享中断号的情况。10.5.510.5.5软中断软中断中断处理的下半部分中断处理的下半部分问题背景：问题背景：在响应中断并进行处理的时候往往会关闭中断，而在此期间完全可能有多个设备发出中断请求，所以希望能够尽快地响应中断以免中断丢失。LinuxLinux的解决办法的解决办法中断处理分为两部分中断处理分为两部分（1）硬中断 （做最关键的事情）CPU响应中断。关闭中断，确认中断，把中断设备的数据包从硬件缓冲拷贝到内核空间（如果有的话）,做标记用来激激活活下半部分下半部分，开中断。(2)软中断 一般是绝大部分中断处理在这里完成。注意下半部分是可以在开中断的情况下运行，并且第二步并不一定紧接着第一步运

15、行。如此便保证了中断的响应速度。2.4 2.4 内核软中断形式内核软中断形式软中断处理总控可以并发执行,相同的与不同的软中断都可以在不同的CPU上同时执行。tasklet，相同的tasklet不会同时在不同的CPU上运行，不同的tasklet可以在不同CPU上运行。Bottom Half(BH)系统中最多只能有一个CPU运行BH三者的约束从松到紧系统预定义了四个软中断：系统预定义了四个软中断：HI_SOFTIRQ 用于实现BHTASKLET_SOFTIRQ 对应于taskletNET_TX_SOFTIRQ 用于发送网络数据NET_RX_SOFTIRQ 接受网络数据 软中断的相关处理函数软中断的

16、相关处理函数open_softirq（）函数定义软中断及其处理函数 open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ,net_rx_action,NULL);NET_RX_SOFTIRQ 为软中断号。net_rx_action是一个函数，当软中断被处理时调用该函数。_cpu_raise_softirq（）用来设置标志位激活软中断，该函数在中断处理的上半部分被调用。_cpu_raise_softirq(cpu,NET_RX_SOFTIRQ);do_softirq()用于处理软中断,它发现那个软中断的标志位被设置,就调用相应的软中断处理函数。do_do_softirqsoftirq()()有

17、有4 4个执行时机个执行时机从系统调用中返回（ret_from_sys_call）从异常中返回（ret_from_exception）调度程序中（schedule()）处理完硬中断之后（do_IRQ()）BHBH介绍介绍所有的BH由一个全局锁global_bh_lock保证串行化。系统共可以定义32个BH。预定义的BH有15个,包括TIMER_BH,TQUEUE_BH,IMMEDIATE_BH等。TIMER_BH是时钟中断的BH。BH的操作函数：void init_bh(int nr,void(*routine)(void)安装第nr号BH，其处理函数为routine。void remove_

18、bh(int nr)卸载第nr号BH。void mark_bh(int nr)激活第nr号BH。该函数使用的常见情况是在中断处理函数中，因为BH就 是 一 种 特 殊 的 软 中 断。该 函 数 会 调 用_cpu_raise_softirq(cpu,HI_SOFTIRQ)。BHBH的例子的例子 时钟中断时钟中断初始化 init_bh(TIMER_BH,timer_bh)当时钟中断发生时（1）硬中断的处理1.其处理函数更新“滴答”计数2.单CPU的情况对当前进程的CPU时间配额counter减一，如果counter为0，置进程描述符的need_resched为1。3.然后激活TIMER_BH。(*(unsigned long*)&jiffies)+;#ifndef CONFIG_SMP update_process_times(user_mode(regs);mark_bh(TIMER_BH);#endif if(TQ_ACTIVE(tq_timer)mark_bh(TQUEUE_BH);（2）软中断的处理在后面TIMER_BH得到调度运行时，执行timer_bh()函数，该函数执行时钟中断的大部分任务，包括更新时间统计变量及检查定时器是否到期，如到期则执行相应的操作。