Linux-0.11 kernel目录进程管理trap.c详解
Linux-0.11 kernel目录进程管理trap.c详解
模块简介
trap.c程序主要包括一些在处理异常故障（硬件中断）底层代码asm.s文件中调用的相应c函数。用于显示出错位置和出错号等调试信息。大部分的方法都会使用die方法显示详细的出错信息。
trap.c中还有一个重要的方法trap_init，该方法在init/main.c中被调用，用于初始化硬件异常处理中断向量(陷阱门)，并设置允许中断请求信号的倒来。
函数详解
die
static void die(char * str,long esp_ptr,long nr)
d该函数用于在出现异常时，打印一些出错信息。
long * esp = (long *) esp_ptr;
int i;
printk("%s: %04x\n\r",str,nr&0xffff);
printk("EIP:\t%04x:%p\nEFLAGS:\t%p\nESP:\t%04x:%p\n",
esp[1],esp[0],esp[2],esp[4],esp[3]);
printk("fs: %04x\n",_fs());
printk("base: %p, limit: %p\n",get_base(current->ldt[1]),get_limit(0x17));
if (esp[4] == 0x17) {
printk("Stack: ");
for (i=0;i<4;i++)
printk("%p ",get_seg_long(0x17,i+(long *)esp[3]));
printk("\n");
}
str(i);
printk("Pid: %d, process nr: %d\n\r",current->pid,0xffff & i);
for(i=0;i<10;i++)
printk("%02x ",0xff & get_seg_byte(esp[1],(i+(char *)esp[0])));
printk("\n\r");
do_exit(11); /* play segment exception */
函数首先将传递进来的堆栈指针 esp_ptr 转换为长整型指针 esp，以便于后续对堆栈内容的读取。接着用 printk 打印出一些异常信息的标题，以及异常号的低16位。这些信息可能包含异常的类型或来源。
long * esp = (long *) esp_ptr;
int i;
printk("%s: %04x\n\r",str,nr&0xffff);
接着，打印当前堆栈中的关键寄存器值，包括指令指针（EIP）、标志寄存器（EFLAGS）和堆栈指针（ESP）。
printk("EIP:\t%04x:%p\nEFLAGS:\t%p\nESP:\t%04x:%p\n",
esp[1],esp[0],esp[2],esp[4],esp[3]);
然后，它打印当前任务的文件系统段寄存器值（fs），以及当前任务局部描述符表（LDT）中第二个段描述符指向的段的基址和段限长。
printk("fs: %04x\n",_fs());
printk("base: %p, limit: %p\n",get_base(current->ldt[1]),get_limit(0x17));
这里使用get_base和get_limit方法获取段基址和段限长，这里基于段描述符的结构进行实现。
+-------------------+-----------------+
| 段描述符字段 | 字节 |
+-------------------+-----------------+
| 基址 23:16 | [7] |
+-------------------+-----------------+
| 其他 | [6] 高4位 |
+-------------------+-----------------+
| 基址 29:16 | [6] 低4位 |
+-------------------+-----------------+
| 其他 | [5] |
+-------------------+-----------------+
| 其他 | [4] |
+-------------------+-----------------+
| 基址 23:16 | [4] |
+-------------------+-----------------+
| 基址 15:0 | [2-3] |
+-------------------+-----------------+
| 段限长 15:0 | [0-1] |
+-------------------+-----------------+
接下来如果堆栈在用户数据段，则还会打印16字节堆栈内容。
if (esp[4] == 0x17) {
printk("Stack: ");
for (i=0;i<4;i++)
printk("%p ",get_seg_long(0x17,i+(long *)esp[3]));
printk("\n");
}
最后打印了任务号，进程号，10字节指令码。
str(i); // 取当前运行任务的任务号
printk("Pid: %d, process nr: %d\n\r",current->pid,0xffff & i);
for(i=0;i<10;i++)
printk("%02x ",0xff & get_seg_byte(esp[1],(i+(char *)esp[0])));
printk("\n\r");
do_exit(11); /* play segment exception */
这里相对难懂的是这句代码。
for(i=0;i<10;i++)
printk("%02x ",0xff & get_seg_byte(esp[1],(i+(char *)esp[0])));
esp[1]的内容是cs段描述符， esp[0]的内容是EIP指针。这段代码的作用是打印当前栈帧中连续 10 个字节的十六进制值，以便在调试时查看栈上的内容。
trap_init
trap_init方法的原型如下所示：
void trap_init(void)
下面是异常(陷阱)中断程序初始化子程序。设置它们的中断调用门(中断向量)。set_trap_gate与set_system_gate都使用了IDT中的陷阱门，它们之间的区别在于前者设置的特权级为0，后者是3。
int i;
set_trap_gate(0,÷_error);
set_trap_gate(1,&debug);
set_trap_gate(2,&nmi);
set_system_gate(3,&int3); /* int3-5 can be called from all */
set_system_gate(4,&overflow);
set_system_gate(5,&bounds);
set_trap_gate(6,&invalid_op);
set_trap_gate(7,&device_not_available);
set_trap_gate(8,&double_fault);
set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
set_trap_gate(11,&segment_not_present);
set_trap_gate(12,&stack_segment);
set_trap_gate(13,&general_protection);
set_trap_gate(14,&page_fault);
set_trap_gate(15,&reserved);
set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
for (i=17;i<48;i++)
set_trap_gate(i,&reserved);
set_trap_gate(45,&irq13);
outb_p(inb_p(0x21)&0xfb,0x21);
outb(inb_p(0xA1)&0xdf,0xA1);
set_trap_gate(39,¶llel_interrupt);
除了陷阱门以外，还有一种中断门，其方法是set_intr_gate。
中断门和陷阱门是两种不同类型的门，用于在 x86 架构中实现中断和异常处理。它们之间的主要区别在于如何处理被调用的处理程序（即中断服务例程或异常处理例程）的返回方式。
中断门（Interrupt Gate）：
- 中断门用于处理中断请求（IRQs）或外部设备产生的中断。当硬件引发中断时，CPU会从当前执行的代码转到中断门指定的中断服务例程中执行。中断门通常用于处理需要及时响应并可能涉及硬件处理的情况，如键盘输入、定时器中断等。
- 中断门在调用中断服务例程时会关闭中断标志位（IF），这意味着在执行中断服务例程期间，CPU不会响应其他中断请求。
- 中断服务例程执行完毕后，通常会通过 IRET 指令返回到被中断的程序，IRET 会恢复中断标志位，从而允许其他中断请求再次被响应。
陷阱门（Trap Gate）：
- 陷阱门用于处理软件产生的异常或陷阱，如除零错误、调试异常等。与中断不同，陷阱是由当前运行的程序显式地触发的，而不是由外部设备引发的。
- 与中断门不同，陷阱门在调用陷阱处理例程时不会关闭中断标志位，这意味着在处理陷阱期间，其他中断仍然可以被响应。
- 陷阱处理例程执行完毕后，同样通过 IRET 指令返回到被中断的程序，恢复中断标志位。
总的来说，中断门和陷阱门之间的主要区别在于中断门会关闭中断，而陷阱门不会。中断门通常用于处理需要及时响应且可能涉及硬件处理的情况，而陷阱门则用于处理软件产生的异常或陷阱。
set_trap_gate和set_system_gate都是通过_set_gate宏定义实现的。
#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \
"movw %0,%%dx\n\t" \
"movl %%eax,%1\n\t" \
"movl %%edx,%2" \
: \
: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \
"o" (*((char *) (gate_addr))), \
"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \
"d" ((char *) (addr)),
"a" (0x00080000))
这个是内嵌汇编，理解起来有一定难度，我们慢慢读。
在head.s中，我们曾经将所有的中断描述符都设置为了ignore_int。这里再回顾一下当时的过程，使用了EDX存储高32位数据，EAX存储了低32位数据。
63 32
+------------------+-+-+------+---+-----+
+ | |D | | | +
+ 偏移地址高16位 |P|P |01110|000| +
+ | |L | | | +
+------------------+-+--+-----+---+-----+
+ addr[31：16] |1|00|01110|000|00000+
+------------------+-+--+-----+---+-----+
+ EDX +
+---------------------------------------+
31 0
+------------------+-------------------+
+ 段描述符 + 偏移地址低16位 +
+------------------+-------------------+
+ 0x8 + addr[31：16] +
+------------------+-------------------+
+ EAX +
+--------------------------------------+
这里的_set_gate同样使用EDX存储高32位数据，EAX存储了低32位数据。
首先理解下占位符%0-%4：
- %0 由dpl和type组合成的类型标识字。修改存在为1，
0x8000 = 0x10000000_00000000，相当于将存在位设置为1，设置dpl的值(dpl<<13)， 并设置中断的类型是陷阱门还是中断门(type<<8)。 - %1 描述符低32位地址
- %2 描述符高32位地址
- %3 edx等于中断程序入口地址
- %4 eax，高位设置位0x8，即段描述符是0x8。
这里edx被初始化了中断程序入口地址。于是后面需要将其进行拆分，低16位要拆分到eax中。下面这句汇编的含义便是如此：
movw %%dx,%%ax\n\t"
接下来将构建好的类型标识字赋给edx的低16位，即dx
movw %0,%%dx
到此为止，edx和eax组装完毕，将其赋值到指定的内存地址上。
"movl %%eax,%1\n\t" \
"movl %%edx,%2"
其实过程和之前设置ignore_int大同小异。
中断函数入口
下面这部分是很多中断执行的最终的入口，大部分都是调用了die方法。
do_double_fault
void do_double_fault(long esp, long error_code)
调用die打印double fault的出错信息。
{
die("double fault",esp,error_code);
}
do_general_protection
void do_general_protection(long esp, long error_code)
调用die打印general protection的出错信息。
{
die("general protection",esp,error_code);
}
do_divide_error
void do_divide_error(long esp, long error_code)
调用die打印divide error的出错信息。
{
die("divide error",esp,error_code);
}
do_int3
void do_int3(long * esp, long error_code,
long fs,long es,long ds,
long ebp,long esi,long edi,
long edx,long ecx,long ebx,long eax)
打印int3的信息。
int tr;
__asm__("str %%ax":"=a" (tr):"0" (0));
printk("eax\t\tebx\t\tecx\t\tedx\n\r%8x\t%8x\t%8x\t%8x\n\r",
eax,ebx,ecx,edx);
printk("esi\t\tedi\t\tebp\t\tesp\n\r%8x\t%8x\t%8x\t%8x\n\r",
esi,edi,ebp,(long) esp);
printk("\n\rds\tes\tfs\ttr\n\r%4x\t%4x\t%4x\t%4x\n\r",
ds,es,fs,tr);
printk("EIP: %8x CS: %4x EFLAGS: %8x\n\r",esp[0],esp[1],esp[2]);
do_nmi
void do_nmi(long esp, long error_code)
调用die打印nmi的出错信息。
die("nmi",esp,error_code);
do_debug
void do_debug(long esp, long error_code)
调用die打印debug的出错信息。
die("debug",esp,error_code);
do_overflow
void do_overflow(long esp, long error_code)
调用die打印overflow的出错信息。
die("overflow",esp,error_code);
do_bounds
void do_bounds(long esp, long error_code)
调用die打印bounds的出错信息。
die("bounds",esp,error_code);
do_invalid_op
void do_invalid_op(long esp, long error_code)
调用die打印invalid operand的出错信息。
die("invalid operand",esp,error_code);
do_device_not_available
void do_device_not_available(long esp, long error_code)
调用die打印device not available的出错信息。
die("device not available",esp,error_code);
do_coprocessor_segment_overrun
void do_coprocessor_segment_overrun(long esp, long error_code)
调用die打印coprocessor segment overrun的出错信息。
die("coprocessor segment overrun",esp,error_code);
do_invalid_TSS
void do_invalid_TSS(long esp,long error_code)
调用die打印do_invalid_TSS的出错信息。
die("invalid TSS",esp,error_code);
do_segment_not_present
void do_segment_not_present(long esp,long error_code)
调用die打印do_segment_not_present的出错信息。
die("segment not present",esp,error_code);
do_stack_segment
void do_stack_segment(long esp,long error_code)
调用die打印do_stack_segment的出错信息。
die("stack segment",esp,error_code);
do_coprocessor_error
void do_coprocessor_error(long esp, long error_code)
if (last_task_used_math != current)
return;
die("coprocessor error",esp,error_code);
首先，函数检查 last_task_used_math 是否等于当前任务 current，如果不相等，则说明上次使用浮点数单元的任务不是当前任务，这意味着上一次的错误处理已经由其他任务处理了，因此当前任务无需处理该错误，直接返回。如果 last_task_used_math 等于当前任务 current，则说明上次使用浮点数单元的任务就是当前任务，需要当前任务来处理这个错误。
函数调用 die 函数，传递了错误消息字符串 "coprocessor error"、栈指针 esp 和错误代码 error_code 作为参数。这个 die 函数用于在内核发生严重错误时停止程序的执行，进行错误信息的输出和系统的关闭或者重启。
在Linux-0.11中，do_coprocessor_error没有被调用的地方。
trap_init中设置的协处理器错误的中断函数入口是coprocessor_error，其定义在system_call.s中。
set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
do_reserved
void do_reserved(long esp, long error_code)
调用die打印do_reserved的出错信息。
die("reserved (15,17-47) error",esp,error_code);