TimeTomb - x86 CPU异常与中断概述
概述
在某些情况下，CPU需要当前的执行流，执行其他任务。例如响应键盘输入、硬件故障等。
x86处理器提供了两种中断类型：中断(Interrupts)和异常(Exceptions):
- 中断是异步事件，通常由I/O设备触发
- 异常是同步事件，当处理器在执行指令时检测到预定义的条件时生成。x86 架构下定义了三类异常：fault，trap和abort
处理器处理中断和异常时本质上是一样的。当中断或异常发生时，处理器停止当前执行的任务，根据IDT(中断描述符表)来选择并切换到中断处理程序。 为了中断或异常处理后可以继续原任务，所有中断和异常（除了abort）都在指令边界触发，所以虽然硬件中断是异步的，但是不会在某个指令执行过程中跳转到中断处理程序。
fault类型的异常产生时，处理器保存的IP是当前指令的地址，trap类型的异常以及外部中断产生时，处理器保存的IP是下一条指令的地址。所以从异常恢复后，下一条执行的指令也不同。 abort类型的异常产生时，处理器保存的IP是未定义的，因此当abort类型的异常产生时，异常处理应该尝试尽可能优雅的关闭程序，关闭处理器，而不应该恢复原任务执行。
中断处理
以下中断指中断和异常，非特殊情况，不作区分。
不同类型的中断对应不同的中断向量(0——255的数值)，当中断发生时，处理器根据中断向量查询中断描述符表，找到对应的中断处理程序。在跳转执行前，CPU需要进行特权级检查，以及栈切换。
不同中断类型示例如下：
| Name | Vector nr. | Type | Mnemonic | Error code? |
|---|---|---|---|---|
| Division Error | 0 (0x0) | Fault | #DE | No |
| Debug | 1 (0x1) | Fault/Trap | #DB | No |
| Non-maskable Interrupt | 2 (0x2) | Interrupt | - | No |
| Breakpoint | 3 (0x3) | Trap | #BP | No |
| … | ||||
| 21-31 | Intel reserved. Do not use. | |||
| 32-255 | User Defined (Non-reserved) Interrupt |
完整CPU异常列表x86架构下定义的Exception列表或 Intel SDM, 3.6.3, Sources of Interrupts。
中断描述符表(IDT)
IDT中有两类门描述符：interrupt gate和trap gate。当通过interrupt gate调用时，处理器会清除EFLAGS的IF标志，禁用中断。trap gate不会修改IF标志。
iret指令会恢复EFLAGS。
IF flag： Clearing the IF flag causes the processor to ignore maskable external interrupts。
单独提一下描述符中的IST字段：非64-bit下，IDT中还支持Task Gate，用来自动切换stack，以保证中断发生时stack是好的。
64-bit下，该机制被IST替代。如上图中，IST字段引用TSS中对应index的IST条目，CPU自动切换到对应IST指定的栈地址。（Intel SDM 3.6.14.4, Stack Switching in IA-32e Mode）
特权级检查
中断发生时，特权级检查与调用门的检查类似，但更简单。因为没有中断门的段选择子，所以没有RPL相关的检查。 当通过软件指令主动触发中断或异常时，才会检查CPL<=DPL。 中断处理程序一般位于DPL=0的非一致性代码段，所以中断发生时，当前CPL<=目的DPL成立，跳转到中断处理程序，且CPL=0。
Stack Switching
栈切换发生在：
- 中断描述符的IST不为0时，切换到指定的栈。
- 中断描述符IST为0，但是发生特权级切换，需要切换到对应特权级的栈。
两种情况下，新的SS选择子都强制置为NULL，新SS选择子的RPL设置为新的CPL。被压入新栈的内容如下图（其中Error Code只有相应的exception有error code时才会入栈）。
使用iret返回时，会根据SS:ESP回到原来的栈。
Software-generated interrupt/exception
INT n， INT3， INTO指令可以调用对应向量号的中断处理程序。其中INTO在64-bit 模式下不可用。
INT3单独设计为一个单字节指令，为了在需要断点的地方可以替换当前指令的第一个字节，而不需要考虑对后面的指令产生影响。
INTx指令触发的中断/异常和正常触发的几点区别或限制：
- gate中的特权级检查: 只有通过INTx指令触发时才会检查DPL。硬件产生的中断和处理器触发产生的异常不会检查DPL；
- INTx指令触发不受IF flag的影响；
- INT 2会调用NMI中断处理程序，但是不会激活NMI的硬件处理；
- INTx不会把error code入栈。因此有error code的exception对应的handler处理INTx触发的中断时，会有问题。
Calling Convention
因为中断和异常可能在任何指令处发生，所以中断处理函数返回前需要保证恢复所有可能被修改的寄存器。目前Rust实现有两种方案：
- 使用naked function，在naked function中使用inline asm来保存寄存器等。 RFC: Constrained Naked Functions
- 使用
x86-interruptcalling convention。 PR: Add support for the x86-interrupt calling convention ISSUE 该方案对于编码来说更简单。
两个feature目前都是unstable。
Reference
- Intel SDM
- Intel SDM, Chapter 1.6, Procedure Calls, Interrupts, and Exceptions
- Intel SDM, Chapter 3.6, Interrupt and Exception Handling
- Linux：
- 一文搞懂内核中断子系统
- Disabling IRQF_DISABLED: 从2.6.35 linux kernel中去掉了
IRQF_DISABLED配置项。去掉后，在中断handler中，会禁用所有中断。
- 除了本文的中断处理机制，x86处理器还支持例如SMI类型的中断进入系统管理模式(SMM)。SMM不可编程，对操作系统是透明的。(Intel SDM, chapter 3.34, System Management Mode)
- SMM(SYSTEM MANAGEMENT MODE)：SMM提供一种特殊模式，用来处理诸如电源管理，闭源OEM代码等。通过SMI触发进入SMM后，处理器会保存当前状态，并切换到一个独立的执行环境，使用新的地址空间。
- 关于所有异常和中断的优先级，Intel SDM v3.6.9给出了一个表，可以参考。