中斷和異常處理
中斷和異常是指明系統(tǒng)、處理器、或當(dāng)前執(zhí)行程序的某處出現(xiàn)一個事件，該事件需要處理器進(jìn)行處理。通常，這種事件會導(dǎo)致執(zhí)行控制被強(qiáng)迫從當(dāng)前運(yùn)行的程序轉(zhuǎn)移到被稱為中斷處理程序或異常處理程序。
1 異常和中斷向量
每個需要被處理器進(jìn)行特殊處理的處理器定義的異常和中斷條件都被賦予一個表示號，稱為向量(vector)。 處理器把賦予異常或中斷的向量
用作中斷的處理程序入口地點(diǎn)位置。
2 中斷描述符表
該表將每個異常或者中斷的向量號同它們的處理過程聯(lián)系起來。IDT也是由8字節(jié)長的描述符組成的一個描述符表。
指令LIDT和SIDT 指令分別用于加載和保存IDTR寄存器的內(nèi)容。
3 IDT描述符
中斷門和陷阱門含有一個長指針(即段選擇符和偏移值)，處理器用這個長指針把程序執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)移到代碼段中異常或中斷的處理過程中。
任務(wù)門描述符中有一個任務(wù)TSS段的任務(wù)選擇符，該任務(wù)用于處理異常和中斷。
4 異常和中斷處理
中斷描述符中的選擇符指向中斷處理程序所在段基址，偏移值指向段中的特定的中斷處理函數(shù)。
5 任務(wù)管理
任務(wù)Task 是處理器可以分配調(diào)度、執(zhí)行和掛起的一個工作單元。
任務(wù)切換很像過程調(diào)用，但任務(wù)切換會保存更多的處理器狀態(tài)信息。任務(wù)切換會把控制權(quán)完全轉(zhuǎn)移到一個新的執(zhí)行環(huán)境。這種轉(zhuǎn)移要求保存處理器中幾乎 所有的寄存器的當(dāng)前內(nèi)容，包括標(biāo)志寄存器EFLAGS和所有段寄存器。與過程不同，任務(wù)不可以重入，任務(wù)切換不會把任何信息壓入到堆棧中。處理器的狀態(tài)信息否保存在內(nèi)存中稱為任務(wù)狀態(tài)段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
描述符中與任務(wù)相關(guān)的描述符有兩種： 任務(wù)狀態(tài)段描述符 和 任務(wù)門 。當(dāng)執(zhí)行權(quán)傳給這兩個中的一個的時候，就發(fā)生了任務(wù)切換。
任務(wù)切換很像函數(shù)調(diào)用，但是任務(wù)切換會保存更多的處理器信息，任務(wù)切換會把控制權(quán)完全轉(zhuǎn)移到一個新的環(huán)境中。
5.1 任務(wù)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)
一個任務(wù)由兩個部分構(gòu)成
:任務(wù)執(zhí)行空間和
任務(wù)狀態(tài)段TSS。
任務(wù)執(zhí)行空間包括 代碼段 、堆棧段和一個或多個數(shù)據(jù)段。TSS指定了構(gòu)成任務(wù)執(zhí)行空間的各個段，并且為任務(wù)狀態(tài)信息提供存儲空間。在多任務(wù)環(huán)境中，TSS也為任務(wù)之間的鏈接提供了處理方法。
一個任務(wù)使用指向其TSS的段選擇符來指定。當(dāng)一個任務(wù)被加載進(jìn)處理器中執(zhí)行時，那么該任務(wù)的段選擇符、基地址、段限長以及TSS段的描述符就會被加載進(jìn)
任務(wù)寄存器TR中。如果使用了分頁機(jī)制，那么任務(wù)使用的頁目錄表基地址就會被加載進(jìn)控制寄存器CR3中。當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)由處理器中以下所有內(nèi)容組成：
5.2 任務(wù)的執(zhí)行
(1) 使用call指令明確調(diào)用一個任務(wù) 。
(2) 使用JMP指令跳轉(zhuǎn)到一個任務(wù)(linux使用的方式)。
(3)隱含調(diào)用一個中斷句柄處理任務(wù)。
(4)隱含調(diào)用一個異常句柄處理任務(wù)。
所有這些調(diào)度任務(wù)執(zhí)行的方法都需要一個指向任務(wù)門或者任務(wù)TSS段的選擇符來確定相應(yīng)的任務(wù)。
當(dāng)調(diào)度一個任務(wù)執(zhí)行時，當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù) 會和被調(diào)用的任務(wù)會發(fā)生任務(wù)切換。在任務(wù)切換期間，當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)會把執(zhí)行環(huán)境保存到
它的TSS中，并暫停該任務(wù)的執(zhí)行。此后新調(diào)用任務(wù)的上下文環(huán)境會被加載進(jìn)內(nèi)存處理器中，并從加載的EIP處，開始執(zhí)行新的任務(wù)。
如果當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)調(diào)用了被調(diào)用的新任務(wù)，那么當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的TSS段選擇符 會保存在被調(diào)用任務(wù)的TSS中。從而提供了一個返回調(diào)用者
的鏈接。
5.3 任務(wù)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
(1) 任務(wù)狀態(tài)段TSS
(2) TSS描述符
(3) 任務(wù)寄存器TR
(4)任務(wù)門描述符
(5)標(biāo)志寄存器EFLAGS中的NT標(biāo)志。
5.3.1任務(wù)狀態(tài)段
用于恢復(fù)一個處理器狀態(tài)的所有信息存儲在稱為任務(wù)狀態(tài)段(TSS)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
TSS的結(jié)構(gòu)圖如下：
TSS中的各個字段主要包括以下兩種：
(一) 動態(tài)字段 ： 當(dāng)任務(wù)切換的時候而被掛起的時候，處理器會自動更新字段的內(nèi)容。 這些字段包括：
(1) 通用寄存器字段。用于保存 EAX ,ECX ,EDX ,EBX,ESP ,EBP,ESI,EDI。
(2) 段選擇符字段 用于保存ES,CS,SS,DS,FS,GS。
(3) 標(biāo)志寄存器EFLAGS 再切換之前保存EFLAGS
(4) 指令指針EIP 字段，在切換之前保存EIP寄存器的內(nèi)容。
(5) 先前任務(wù)連接字段，含有前一個任務(wù)的TSS段選擇符。該字段允許任務(wù)使用IRET指令切換到前一個字段。
(二)靜態(tài)字段 ：處理器會讀取靜態(tài)字段的內(nèi)容，但是不會改變它們。這些任務(wù)內(nèi)容通常是在任務(wù)被創(chuàng)建的時候設(shè)置的。
(1) LDT段選擇符字段。含有任務(wù)的LDT段的選擇符。
(2)CR3控制寄存器字段。含有任務(wù)使用的頁目錄物理基地址。
(3) 特權(quán)級0，1和2的堆棧指針字段。這些堆棧指針由堆棧段選擇符(ss0 , ss1 ,ss2) 和棧中偏移指針(esp0 , esp1 ,esp2)組成。對于指定的一個任務(wù)，這些字段的值是不會改變的。
(4)調(diào)試陷阱。
(5)I/O 位圖基地址字段。
5.3.2 TSS描述符
任務(wù)狀態(tài)段TSS也是由段描述符來描述的，
TSS描述符只能存放在GDT中。
類型字段TYPE中的忙標(biāo)志B用于指明任務(wù)是否處于忙狀態(tài)。忙狀態(tài)的任務(wù)是指當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)或者等待的任務(wù)。
任務(wù)是不可以遞歸執(zhí)行的，因此處理器使用忙標(biāo)志B來檢測任何對被中斷執(zhí)行的任務(wù)的調(diào)用。
其中基地址、段限長、描述符特權(quán)級DPL、顆粒度G和存在位具有與數(shù)據(jù)段描述符中相應(yīng)字段的同樣功能。
使用調(diào)用或者跳轉(zhuǎn)指令，任何可以訪問TSS描述符的程序都能夠造成任務(wù)切換。
把TSS描述符加載進(jìn)任何段寄存器將導(dǎo)致一個異常。
5.3.3 任務(wù)寄存器
任務(wù)寄存器TR中存放
著16位的段選擇符（可見部分）以及當(dāng)前任務(wù)TSS段的整個描述符(
不可見部分)。這些信息是從GDT中當(dāng)前任務(wù)的TSS描述符中復(fù)制過來的。
LTR 和 STR指令分別用于保存和加載TSS描述符中的可見部分，即TSS段的選擇符。
5.3.4 任務(wù)門描述符
任務(wù)門描述符提供一個任務(wù)間接受保護(hù)引用。任務(wù)門描述符可以存放在 GDT LDT IDT中。
任務(wù)門描述符中的TSS選擇符字段指向GDT中的一個TSS段描述符。
5.3.5 任務(wù)切換
處理器可以使用以下4種方式之一執(zhí)行任務(wù)切換操作。
(1) 當(dāng)前任務(wù)對GDT 中的TSS描述符執(zhí)行JMP 或 CALL 指令。
(2) 當(dāng)前任務(wù)對GDT和LDT中的任務(wù)門描述符執(zhí)行JMP和CALL指令。
(3) 中斷或者異常向量指向IDT表中的任務(wù)門描述符。
(4) 當(dāng)EFLAGS 中的NT標(biāo)志置位時，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行IRET指令。
任務(wù)切換示意圖 如上 。
5.3.6任務(wù)鏈
TSS中的前任務(wù)鏈字段以及EFLAGS中的NT標(biāo)志用于返回到前一個任務(wù)操作中。NT標(biāo)志指出了當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)是否嵌套在另一個任務(wù)中執(zhí)行，并且當(dāng)前任務(wù)的前一個
任務(wù)鏈字段中存放著嵌套層中更高層的TSS選擇符。
當(dāng)使用CALL 指令，中斷或者異常造成任務(wù)切換的時候，處理器把當(dāng)前TSS段的選擇符復(fù)制到新任務(wù)TSS段的前一任務(wù)鏈字段中，并且在EFLAGS中設(shè)置NT標(biāo)志，NT標(biāo)志指明TSS的前一任務(wù)鏈字段中存放有保存的TSS段選擇符。如果軟件使用了IRET指令掛起新任務(wù)，處理器就會使用前一任務(wù)鏈中的值和NT標(biāo)志返回到前一個任務(wù)中。
注意如果當(dāng)前任務(wù)的切換是由JMP指令造成的，那么新任務(wù)就不被嵌套。
6 任務(wù)地址空間
任務(wù)的地址空間由任務(wù)能夠訪問的段構(gòu)成。這些段包括代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段、TSS中引用的系統(tǒng)段以及任務(wù)代碼段能夠訪問的任何其他段。
TSS中的LDT字段可以用于給出每個任務(wù)自己的LDT。對于一個給定的任務(wù)，通過把任務(wù)相關(guān)的所有段描述符都放入LDT中，任務(wù)的地址空間可以與其他任務(wù)
相隔離。
如果開啟了分頁機(jī)制，則TSS中的CR3寄存器字段可以讓每個任務(wù)有它自己的頁表。或者，幾個任務(wù)能夠共享相同的頁表集。
(1) 把任務(wù)映射到線性和物理地址空間
所有任務(wù)共享一個線性到物理地址空間的映射。當(dāng)沒開啟分頁機(jī)制時，就只能夠使用這個方法。當(dāng)開啟了分頁機(jī)制，就可以讓所有的任務(wù)使用同一個頁目錄的方法
來實現(xiàn)。
(2)每個任務(wù)有自己的線性地址空間，并映射到物理地址空間。
通過讓每個任務(wù)使用不同的頁目錄，我們就可以使用這種映射技術(shù)。
6.1任務(wù)邏輯地址空間
為了在任務(wù)之間共享數(shù)據(jù)，可以使用以下方法之一來為數(shù)據(jù)段建立共享的邏輯到物理地址空間的映射：
(1) 通過使用GDT中的段描述符，所有任務(wù)必須能夠訪問GDT的段描述符，如果GDT中的某些段描述符能夠指向線性地址空間的一些段，并且這些段被映射到所有任務(wù)共享的物理地址空間中，那么所有的任務(wù)都可以共享這些段中的代碼和數(shù)據(jù)。
(2) 通過共享的LDT。
(3) 通過映射到線性地址空間公共地址區(qū)域的不同LDT中的段描述符。
這種方式最好。 7 保護(hù)模式編程初始化
7.1 進(jìn)入保護(hù)模式時的初始化操作
操作系統(tǒng)加載和初始化軟件(bootsect.s setup.s 和 head.s) 必須在內(nèi)存中先設(shè)置好保護(hù)模式下使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本信息。
(1) 保護(hù)模式中斷描述符表IDT。
(2) 任務(wù)狀態(tài)段TSS。
(3) 局部描述符表LDT。
(4) 若使用分頁機(jī)制，則起碼設(shè)置一個頁目錄和一個頁表。
(5) 處理器切換到保護(hù)模式下運(yùn)行的代碼段。
(6) 含有中斷和異常處理程序的代碼段。
(7)全局描述符表GDT
在能夠切換到保護(hù)模式之前，初始化代碼還必須設(shè)置以下系統(tǒng)寄存器。
(1) 全局描述符表基地址 寄存器GDTR 。
(2) 中斷描述符表基地址寄存器 IDTR 。
(3) 控制寄存器CR1- CR3。
在初始化了這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、代碼模塊和系統(tǒng)寄存器之后，通過設(shè)置CR0寄存器的保護(hù)模式標(biāo)志位PE(位0)，處理器就會切換到保護(hù)模式下運(yùn)行。
7.2 保護(hù)模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表
LDT表的段描述符還要求存放在GDT表中。軟件初始化代碼必須設(shè)置一個保護(hù)模式IDT，其中最少需要含有處理器可能產(chǎn)生的每個異常向量對應(yīng)的門描述符，
在使用IDT之前，必須使用LIDT指令把IDT表的基地址和長度加載到IDTR寄存器中。
分頁機(jī)制初始化 ： 分頁機(jī)制由控制寄存器CR0中的PG標(biāo)志位設(shè)置。當(dāng)設(shè)置PG標(biāo)志之前，必須先初始化以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和寄存器：
(1) 軟件必須在物理內(nèi)存中建立至少一個頁目錄和一個頁表。
(2) 把頁目錄表的物理基地址加載到CR3寄存器中。
(3) 處理器處于保護(hù)模式下，如果滿足其他限制，則PG和PE標(biāo)志可以同時設(shè)置。
多任務(wù)初始化：
在處理器切換到保護(hù)模式之后，使用LTR指令將TSS段描述符的選擇符加載到任務(wù)寄存器TR中，這個指令會把TSS標(biāo)記成忙狀態(tài)，但是并不是執(zhí)行任務(wù)切換。
然后處理器可以使用這個TSS來定位特權(quán)級0 ， 1 ，2 的堆棧，在保護(hù)模式中，軟件進(jìn)行第一次任務(wù)切換之前必須首先加載TSS段的選擇符，因為任務(wù)切換
會把當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)復(fù)制到TSS中。
7.3 模式切換
7.3.1 切換到保護(hù)模式
(1) 禁止中斷。使用CLI 指令禁止了可屏蔽硬件中斷。
(2) LGDT 指令把GDT表的基地址加載進(jìn)GDTR寄存器。
(3) 執(zhí)行在控制寄存器中CR0 ，設(shè)置PE標(biāo)志的MOV CR0指令。
(4) 在MOV CR0 之后，立刻執(zhí)行一個遠(yuǎn)跳轉(zhuǎn)JMP 或遠(yuǎn)調(diào)用CALL指令。
(5) 若要使用局部描述符表，則執(zhí)行LLDT指令把LDT段的選擇符加載到LDTR寄存器中。
(6) 執(zhí)行LTR指令，用初始保護(hù)模式任務(wù)的段選擇符或者可寫內(nèi)存區(qū)域的段描述符加載到任務(wù)寄存器TR中。
(7) 執(zhí)行LIDT指令把保護(hù)模式IDT表的基地址和長度加載到IDTR寄存器中。
(8) 執(zhí)行STI指令開啟可屏蔽硬件中斷，并且執(zhí)行必要的硬件操作開啟NMI中斷。
7.3.2 換回實地址模式
若想切換回實地址模式，則可以使用MOV CR0 指令把控制寄存器CR0中的PE標(biāo)志位清 0 。
(1) 禁止中斷。
(2) 如果已經(jīng)開啟分頁機(jī)制，那么需要執(zhí)行
把程序的控制轉(zhuǎn)移到對等映射的線性地址處。
確保GDT和IDT在對等映射的頁面上。
清除CR0中斷的PG標(biāo)志 。
CR3寄存器設(shè)置為0x00，用于刷新新TLB緩沖。
(3) 把程序的控制轉(zhuǎn)移到長度為64kb的可讀段中。
(4) 使用特定的值來設(shè)置加載SS , DS , ES , FS ,GS 段寄存器。
(5) 執(zhí)行LIDT指令來指向在1MB實模式地址范圍的實地址模式中斷表。
(6) 清除CR0中的PE標(biāo)志來切換到實地址模式。
(7) 執(zhí)行一個遠(yuǎn)跳轉(zhuǎn)指令到一個實模式程序中。
(8) 加載實地址模式程序代碼會使用的SS , DS , ES ,FS ,GS。
(9) STI 開啟硬件中斷。