中断和异常的转移方法[转]

80386实模式下的中断和异常的转移方法与8086相同。这里介绍的中断和异常的转移方法是指 80386在保护模式下响应中断和处理异常时所采用的转移方法。

1.中断描述符表IDT
    与8086/8088一样，在响应中断或者处理异常时，80386根据中断向量号转对应的处理程序。但是，在保护模式下，80386不使用实模式下的中断向量表，而是使用中断描述符表IDT。在保护模式下，80386把中断向量号作为中断描述符表IDT中描述符的索引，而不再是中断向量表中的中断向量的索引。
    象全局描述符表GDT一样，在整个系统中，中断描述符表IDT只有一个。中断描述符表寄存器IDTR指示IDT在内存中的位置。由于80386只识别256个中断向量号，所以IDT最大长度是2K。
    中断描述符表IDT所含的描述符只能是中断门、陷阱门和任务门。也就是说，在保护模式下，80386只有通过中断门、陷阱门或任务门才能转移到对应的中断或异常处理程序。
    从前文中给出的门描述符的格式可见，门描述符包含由选择子和偏移构成的48位全指针。另外，双字计数字段对中断门、陷阱门和任务门而言无意义。

2.中断响应和异常处理的步骤
    由硬件自动实现的中断响应和异常处理的步骤如下：
    首先，判断中断向量号要索引的门描述符是否超出IDT的界限。若超出界限，就引起通用保护故障，出错码为中断向量号乘8再加2。
其次，从IDT中取得对应的门描述符，分解出选择子、偏移量和描述符属性类型，并进行有关检查。描述符只能是任务门、286中断门、286陷阱门、386中断门或386陷阱门，否则就引起通用保护故障，出错码是中断向量号乘8再加2。如果是由INT n指令或INTO指令引起转移，还要检查中断门、陷阱门或任务门描述符中的DPL是否满足CPL<=DPL(对于其它的异常或中断，门中的DPL被忽略)。这种检查可以避免应用程序执行INT n指令时，使用分配给各种设备用的中断向量号。如果检查不通过，就引起通用保护故障，出错码是中断向量号乘8再加2。门描述符中的P位必须是1，表示门描述符是一个有效项，否则就引起段不存在故障，出错码是中断向量号乘8再加2。
最后，根据门描述符类型，分情况转入中断或异常处理程序。
    对于异常处理，在开始上述步骤之前，还要根据异常类型确定返回点；如果有出错代码，则形成符合出错码格式的出错码，并在实际执行异常处理程序之前把出错码压入堆栈。为了保证栈的双字边界对齐，16位的出错码以32位的值压入，其中高16位的值未作定义，对于16位段也是如此。

3.通过中断门或陷阱门的转移
    如果中断向量号所指示的门描述符是386中断门或386陷阱门，那么控制转移到当前任务的一个处理程序过程，并且可以变换特权级。与其它调用门的CALL指令一样，从中断门和陷阱门中获取指向处理程序的48位全指针。其中16位选择子是对应处理程序或代码段的选择子，它指示全局描述符表GDT或局部描述符表LDT中的代码段描述符；32位偏移指示处理程序入口点在代码段内的偏移量。
    通过中断门或陷阱门的转移过程如下所示，该过程由硬件自动进行。
    (1)若选择子为空，则产生通用保护故障；
    (2)取对应的描述符；
    (3)若非存储段描述符，则产生通用保护故障；
    (4)若非一致代码段且DPL且段存在，则切换到内层堆栈；
    (5)调整RPL=0；
    (6)把描述符装入CS；
    (7)若入口偏移越界，则产生通用保护故障；
    (8)EFLAGS压入堆栈；
    (9)CS压入堆栈；
    (10)EIP压入堆栈；
    (11)使TF=0，NT=0；
    (12)若为中断门，则使IF=0；
    (13)若有出错码，则把出错码压入堆栈；
    (14)转入处理程序。
    由上述转移过程可见，中断门或陷阱门中指示处理程序的选择子必须指向描述一个可执行的代码段的描述符。如果选择子为空，就引起通用保护故障，出错码是0。如果描述符不是代码段描述符，就引起通用保护故障，出错码含选择子。
    中断或异常可以转移到同一特权级或内层特权级。上述指定处理程序代码段的描述符中的类型及DPL字段，决定了这种同一任务内的转移是否要发生特权级变换。如果是一个非一致代码段，并且DPLCPL则产生通用保护异常。
    上述转移过程中的第六步，也就是“把描述符装入CS”，是指把上述指定处理程序段的描述符装入CS的高速缓冲寄存器中，在这一步骤中要对描述符进行类似通过调用门进行转移的其它检查，包括是否代码段描述符和代码段描述符是否存在等，因此可能再发生异常。在对该描述符进行检查时，通过调整门中选择子的RPL=0(在处理器内部调整，而不影响存储器中的选择子的RPL字段)的方法，实现只考虑代码段的DPL，而不考虑门中选择子的RPL。把描述符装入CS之后，还要检查门描述符中给出的表示处理程序代码段入口的偏移是否越界，即是否超出段界限。如果越界，就引起出错码为0的通用保护故障。
    从转移过程还可以看出，把标志寄存器和断点压入堆栈的做法和顺序与实模式是相同的，但这里每一次堆栈操作是一个双字，CS被扩展成32位。在16位段中亦是如此。
    把TF置成0，表示不允许处理程序单步执行。把NT置成0，表示处理程序在利用中断返回指令IRET返回时，返回到同一任务而不是一个嵌套任务。需要注意的是，任何特权级的程序都可改变NT位，这样可以利用中断或陷阱处理程序完成任务切换。
    通过中断门的转移和通过陷阱门的转移之间的差别只是对IF标志的处理。对于中断门，在转移过程中把IF置为0，使得在处理程序执行期间屏蔽掉INTR中断(当然，在中断处理程序中可以人为设置IF标志打开中断，以使得在处理程序执行期间允许响应可屏蔽中断)；对于陷阱门，在转移过程中保持IF位不变，即如果IF位原来是1，那么通过陷阱门转移到处理程序之后仍允许INTR中断。因此，中断门最适宜于处理中断，而陷阱门适宜于处理异常。
    在有出错码的情况下，转入处理程序之前还要把出错码压入堆栈。只有异常处理才可能有出错码。下图给出了通过中断门或陷阱门转移时的堆栈情况。(a)是没有变换特权级和没有出错码的情形；(b)是没有变换特权级有出错码的情形；(c)是变换特权级和没有出错码的内层堆栈的情形。(d)是变换特权级和有出错码的内层堆栈情形。注意图中每一项为双字。

4.通过任务门的转移
    如果中断向量号所只是的门描述符是任务门描述符，那么控制转移到一个作为独立的任务方式出现的处理程序。任务门中的选择子是指向描述对应处理程序任务的TSS段的选择子，即该选择子指示一个可用的286TSS或386TSS。通过任务门的转移与通过任务门到一个可用的386TSS的段间调用指令CALL的转移很相似，主要的区别是，对于提供出错码的异常处理，在完成任务切换之后，把出错码压入新任务的堆栈中(通过任务门进行转移时，返回地址和外层栈指针不压入新任务的堆栈)。
    通过任务门的转移，在进入中断或异常处理程序时，标志寄存器EFLAGS中的NT位被置为1，表示是嵌套任务，则IRET指令返回时，沿TSS中的链接字段返回到最后一个被挂起的任务。
    在响应中断或处理异常时，使用任务门可提供一个处理程序任务的自动调度。这种任务调度由硬件直接执行，并且越过包含在操作系统中的软件任务切换，这就为处理程序提供了一个快速的任务切换。

5.转移方法的比较
    对中断的响应和异常的处理，80386允许通过使用中断门或陷阱门实现由当前任务之内的一个过程进行处理；也允许通过使用任务门实现由另一个任务进行处理。在当前任务之内的处理程序较为简单，并可以很快地转移到处理程序，但处理程序要负责保存及恢复处理器的寄存器等内容。转到不同任务的处理程序要花费较长时间，保存及恢复处理器寄存器内容的开销作为任务切换的一部分。使用当前任务内的处理程序的方法，在响应中断或处理异常时，对正执行任务的状态可直接进行访问，但是这就要求每一个任务之内都包含一个处理程序。使用独立任务的处理方法，使处理程序得到较好的隔离，但在响应中断或处理异常时，对原任务状态的访问变得较为复杂。需要注意得是，有些异常必须由中断门或陷阱门进行处理，如上面提到得异常7。
    无效TSS异常必须使用任务门进行处理，以保证处理程序有一个有效得任务环境。其它得异常通常在任务环境之内进行处理。在任务内，异常被检测并且不必屏蔽中断，所以，所以使用陷阱门。由陷阱门指示的异常处理程序是一个由所有任务共享的过程，所以该处理程序最好置于全局地址空间之内。如果各个任务要求有不同的处理程序，那么全局异常处理程序可保存一个各处理程序的入口表，并为引起异常的任务调用相应的处理程序。
    中断通常与正执行的任务没有关系，并可能从使用任务门提供的隔离中获得好处。要求较快响应的中断，通过中断门可以得到较好的处理。因为中断随时都可能发生，所以，通过中断门访问的中断处理程序，必须置于全局地址空间中，以便对所有的任务都有效。还需强调的是，80386程序绝不能调用一个低特权级的过程，当处理器调用一个中断或异常处理程序时，它实施相同的规则，所以，这样一个过程必须至少具有与在其任务上下文中被调用的、由任务所执行的最高特权级的过程相同的特权级。因此，在使用中断门时，中断处理程序通常必须被安排在特权级0，否则若正在特权级0执行时发生中断，则不能进入中断处理程序，而会引起通用保护故障(中断处理程序使用任务门时除外，因为任务切换可以从任何特权级切换到目标任务的任何特权级)。

6.中断或异常处理后的返回
    中断返回指令IRET用于从中断或异常处理程序的返回。该指令的执行根据任务嵌套标志NT位是否为1分为两种情形。
    NT位为1，表示是嵌套任务的返回。当前TSS中的链接字段保存有前一任务的TSS的选择子，取出该选择子进行任务切换就完成了返回。这种情形在由通过任务门转入的中断或异常处理程序返回时出现，因为在由中断门或陷阱门转入处理程序时，NT位已被清0。
    NT位为0，表示当前任务内的返回。这种情形在由通过中断门或陷阱门转入的中断或异常处理程序返回时出现。具体进行的操作包括：从堆栈顶弹出返回指针EIP及CS，然后弹出EFLAGS值。弹出的CS选择子的RPL字段，确定返回后的特权级。如果返回选择子的RPL与CPL相同，则不进行特权级改变。若RPL规定了一个外层特权级，则需要特权级改变，从内层堆栈中弹出外层堆栈的指针ESP及SS的值。这些做法与RET指令相似。例如，使用CS选择子的RPL，而不是由选择子标识的段的DPL，是为了返回到不在DPL给定特权级的一致代码段。若弹出的CS的选择子的RPL规定了一个内层特权级，则产生通用保护故障。需要注意的是，对于IRET指令，保存在当前堆栈中的返回地址中的选择子字段必须指向代码段描述符。而不能是系统段或门描述符。否则将引起通用保护故障。
    对于提供出错代码的异常处理程序，必须先人为地从堆栈中弹出出错代码，然后再执行IRET指令，及出错代码不会自动被处理器弹出或取消。
    中断返回指令IRET不仅能够用于由中断/异常引起的嵌套任务的返回，而且也适用于由段间调用指令CALL通过任务门引起的嵌套任务的返回，如前文所述，在执行通过任务门进行任务切换的段间调用指令CALL时，标志寄存器中的NT位被置为1，表示任务嵌套。而RET指令不能实现此功能。