Interrupts and Exceptions (中断事件与异常事件)

1 Interrupts事件与Exceptions事件的区别

Interrupts事件和Exceptions事件的共同点是改变当前CPU的控制流。

Interrupts：异步事件(跟当前指令无关)。事件是由CPU外部产生的。

Interrupts事件产生源有：

I/O中断
时钟中断
定时器

Interrupts可以分成可屏蔽Interrupts、不可屏蔽Interrupts。分类依据是否可屏蔽。

可屏蔽Interrupts：有两种状态，已屏蔽、未屏蔽。CPU会忽略已屏蔽的Interrupt。
不可屏蔽Interrupts ：硬件失效时不可屏蔽的Interrupts 。CPU不能忽略。

当Interrupts事件发生时，在内核态(一般都是kernel mode)的堆栈中保存的EIP的值是下一条指令的地址。

Exceptions：同步事件(跟当前指令有关，被CPU侦测到的不正常情况)。事件是由CPU内部产生的。可以重现的事件。

Exceptions事件产生源有：

内存访问错误
DEBUG指令（INT3）
除0操作
INTO（检查溢出）
BOUND（检查地址边界）
软中断(INT )：一般用于系统服务请求

Exceptions的分类依据是EIP的值（这个EIP是保存在kernelmode下的堆栈中）。分类如下所示：

Faults：可以被修正(由事件处理程序修正)。一旦修正后，原来的程序会重新执行引起Fault的指令（因为EIP的值是引起Fault指令的地址）。例如内存缺页错误。
Traps：当执行引起Trap的指令后，事件处理程序会被立即执行。当事件处理程序执行完后，原来的程序执行下一条指令（引起Trap指令的下一条指令）。这是因为EIP的值下一条指令的地址。Trap的主要用途是用于DEBUG（设置断点）。
Aborts：严重的错误发生。CPU不能保存引起Abort指令的精确地址到EIP中。Abort用于报告严重的错误，比如硬件故障、无效不一致的系统表。事件处理程序必须停止引起Abort的程序。

可编程的Exceptions（也就是软中断）。程序可以请求Exceptions。它们由int、int 3、into、bound引起。CPU把软中断都当成Trap事件。软中断的两个主要用途是：实现系统调用和DEBUG。

2 Intel处理Interrupts事件和Exceptions事件的过程

注意：

发生事件的分类与中断向量表中门的分类无关，无对应关系（比如NMI是不可屏蔽的硬件中断，但是它指向的门可以是Trap Gate – “set_trap_gate(2,&nmi);”）。

发生事件的类型影响“CPU捕获信号”和“保存EIP”。可屏蔽中断事件被CPU忽略。在Fault事件中，EIP保存的是引起Fault事件的指令的地址。在Trap事件中，EIP保存的是引起Trap事件的指令的下一条指令的地址。

中断向量表中门的不同影响事件处理程序中TF和IF的值。当通过Interrupt gate或Trap gate访问事件处理程序时,在将EFLAGS寄存器的内容保存进栈后，处理器会清除EFLAGS寄存器的TF位（还会清VM、RF、NT位）。清TF位则可以禁止指令跟踪，以使中断响应不受影响，后继的IRET指令则使用保存在栈中的EFLAGS寄存器中的值，恢复TF（和VM、RF、NT）位。Interrupt gate和Trap gate的唯一区别在于处理器处理EFLAGS寄存器的IF位的方式。当通过Interrupt
gate访问事件处理程序时，处理器清楚IF位，以阻止另外的中断干扰当前的中断事件处理程序。后继的IRET指令用存储在栈中的EFLAGS的内容恢复IF的值。而通过Trap gate访问事件处理程序时，IF位不受影响。

3 Linux如何使用Interrupts和Exceptions

INT指令允许用户模式下的程序发送Interrupt signal（中断向量从0到255）。因此初始化IDT必须非常小心。要防止用户模式下的程序通过INT指令访问关键的事件处理程序。设置Interrupt gate Descriptor和Trap gate Descriptor中DPL的值为0后，当程序尝试发送某个Interrupt signal时，CPU会检查CPL和DPL的值，假如CPL的值比DPL的值高（也就是CPL的优先级比DPL的低），这会触发“General protection”
exception。

当然在某些情况，用户模式下的程序必须能触发一个可编程的exception。因此，必须设置对应的Interrupt gate Descriptor和Trap gate Descriptor中DPL的值为3。

Intel提供三种interrupt descriptors：Task、Interrupt、Trap Gate Descriptors。因为Linux没有使用到Task GateDescriptors。所以IDT中断向量表只包含Interrupt Gate Descriptors和Trap Gate Descriptors。Linux定义了如下概念，术语跟Intel稍微有些不同。

Interrupt gate	一个Intel Interrupt gate（这个gate的DPL的值是0）不能被用户模式下的程序访问。Linux Interrupt gate指向的事件处理程序(Linux interrupt handlers)只能在内核模式下运行。
System gate	一个Inter trap gate（这个gate的DPL的值是3）可以被用户模式下的程序访问。四个Linux exception handlers对应着中断向量3、4、5、128(system gate)。所以4个汇编指令int 3、 into、bound、 int $0x80可以在用户模式下执行。
Trap gate	一个Intel trap gate(这个gate的DPL的值是0)不能被用户模式下的程序访问。大部分的Linux exceptionhandlers对应着Trap gate。