今天来学习一下X86中断与异常和控制寄存器

中断

中断通常是由CPU外部的输入输出设备（硬件）所触发的，供外部设备通知CPU有事情需要处理，因此又叫中断请求，英文为Interrupt Request。中断请求的目的是希望CPU暂时停止执行当前正在执行的程序，转去执行中断请求所对应的中断处理例程，中断处理程序由 IDT 表决定。

80x86 有两条中断请求线：非屏蔽中断线，NMI，全称NonMaskable Interrupt和可屏蔽中断线，INTR，全称Interrupt Require。

可屏蔽中断

CPU 的 EFLAGS 有一个 IF 位，它表示了 CPU 当前是否接受可屏蔽中断请求，下面是 EFLAGS 寄存器的图解

IF 是第九位，权值为 0x200，这也就是为什么在用户态我们看到的 EFLAGS 值几乎都是 2xx，因为用户态几乎不允许把该位复位，复位该位需要特权指令 cli 来操作，而重新设置指令需要 sti 来操作。

IF = 1 的时候，可屏蔽中断请求可以被执行，IF = 0 的时候，可屏蔽中断会被屏蔽，不会被执行，不可屏蔽中断走的是 CPU 的NMI引脚，而可屏蔽中断走的就是INTR引脚。

在硬件级，可屏蔽中断是由一块专门的芯片来管理的，通常称为中断控制器。它负责分配中断资源和管理各个中断源发出的中断请求.为了便于标识各个中断请求，中断管理器通常用IRQ，全称为Interrupt Request，后面加上数字来表示不同的中断，例如在键盘设备中，可以看到键盘的请求是一号中断

不可屏蔽中断

不赘述了，就是 CPU 收到就必须立刻执行的事件，诸如CPU掉电，总线校验错误，内存校验错误，看门狗错误等，一旦发生了这些事件，硬件会向 CPU 的 NMI 引脚发送一个中断请求要求 CPU 立刻响应。不过大部分的 NMI 可能都表示着CPU生存周期的终结（出现的故障无法恢复），当然也有一些软件产生的 NMI 中断，可能在执行完事件处理程序之后，会允许 CPU 继续运行。

异常

异常通常是CPU在执行指令时检测到的某些错误，比如除0、访问无效页等。也可以看出，异常是 CPU 主动触发的，是在检测到一些指令不符合某些要求的时候触发的。而中断是由外部设备（中断源）向CPU请求的，是被动的。int n 虽然这个指令是中断（Interrupt）的缩写，但是它本质还是 CPU 主动触发了一个异常，就跟除法的时候检测到了被除数为零是差不多的。

异常处理

无论是由硬件设备触发的中断请求还是由CPU产生的异常，处理程序都在IDT表。常见的异常处理程序如下表所示：

错误类型 （IDT表）中断号
页错误 0xE
段错误 0xD
除零错误 0x0
双重错误 0x8

缺页异常

这是 CPU 主动触发的比较多的异常，当PDE/PTE 的 P=0 时或当PDE/PTE的属性为只读但程序试图写入的时就会触发。一旦发生缺页异常，CPU会执行IDT表中的0xE中断处理程序，由操作系统来接管。

在 Windows 操作系统中，大家都听过 pagefile.sys，它占用空间很大并且无时无刻不被写入，以前问过一个很蠢的问题就是，这个文件是否能删？先来了解一下这个文件是干啥的，答：为了节省物理内存。由于程序局部性的原理，一个程序所占用的物理页，很可能只有一小部分的数据会被频繁读写或者执行，大部分数据可能都不会反复被使用，那么对于这样一部分的物理页，操作系统会选择将该物理页保存到外部文件，也就是这个 pagefile.sys，也就是这个物理页不会被挂上去了。但是当再一次需要使用的时候怎么办呢，此时找不到对应的物理页，CPU 报告一个缺页异常，调用 IDT 表的 0xE 中断程序去处理，发现这个虚拟内存事实上是有对应的物理内存，只是现在被交换到外部文件当中，那就重新指定一个物理页，把内容写回重新挂上，向CPU报告“这个虚拟内存已经被正确挂上了物理页，可以访问了”，那么CPU重新执行这条指令之后就不会报错了就接着运行。

可以说，缺页异常在操作系统中是无时无刻不在发生。就连刚申请的内存页，在不访问之前也是不会挂物理页的（即不实际占用内存），在第一次访问的时候会引发缺页异常，发现这个页是正确的，只是没被挂物理页，那么挂上物理页之后重新执行再返回。

控制寄存器介绍

控制寄存器（CR0、CR2、CR3、CR4）中有一些标志和数据域用于控制系统级操作，另外一些标志则专用来支持操作系统和管理程序，其中，CR1作保留目前不使用。

CR0

CR0寄存器中含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志，可以说它是总开关的集合体。如下图所示：

这里解释几个重要的位

  • PE位是启用保护模式（Protection Enable）标志。若PE = 1是开启保护模式，反之为实地址模式。这个标志仅开启段级保护，而并没有启用分页机制。若要启用分页机制，那么PE和PG标志都要置位。
  • PG位是启用分页机制。在开启这个标志之前必须已经或者同时开启PE标志。PG = 0且PE = 0，处理器工作在实地址模式下。PG = 0且PE = 1，处理器工作在没有开启分页机制的保护模式下。PG = 1且PE = 0，在PE没有开启的情况下无法开启PG。PG = 1且PE = 1，处理器 工作在开启了分页机制的保护模式下。
  • WP位对于Intel 80486或以上的CPU，是写保护（Write Proctect）标志。当设置该标志时，处理器会禁止超级用户程序（例如特权级0的程序）向用户级只读页面执行写操作；当CPL < 3的时候，如果WP = 0可以读写任意用户级物理页，只要线性地址有效。如果WP = 1可以读取任意用户级物理页，但对于只读的物理页，则不能写。

CR1

保留，暂不使用

CR2

当CPU访问某个无效页面时，会产生缺页异常，此时，CPU会将引起异常的线性地址存放在CR2中。

CR3

CR3含有存放页目录表页的物理地址，因此CR3也被称为PDBR（Page-Directory Base address Register，页目录基地址寄存器）。因此前面提到的，dirbase 就是 CR3 的值，事实上任务的切换也依赖于 CR3 寄存器。

CR4

Cr4的结构如下图所示：

VME用于虚拟8086模式。PAE用于确认是哪个分页，PAE = 1，是2-9-9-12分页，PAE = 0是10-10-12分页。PSE是大页是否开启的总开关，如果置0，就算PDE中设置了大页你也得是普通的页。

参考文献