x86 彙編/高階中斷

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在關於中斷的章節中，我們提到了軟體中斷的存在，並且它們可以由系統安裝。本頁將深入探討這個過程，並討論如何安裝 ISR、系統如何找到 ISR 以及處理器實際上如何執行中斷。

中斷服務例程

當發生中斷時呼叫的實際程式碼稱為中斷服務例程 (ISR)。當發生異常時，程式呼叫中斷，或者硬體引發中斷，處理器使用幾種方法之一（將在後面討論）將控制權轉移到 ISR，同時允許 ISR 在執行完成後安全地將控制權轉移回它所中斷的內容。至少， FLAGS 和 CS:IP 會被儲存，ISR 的 CS:IP 會被載入；但是，一些機制會導致在 ISR 開始之前發生完整的任務切換（並在其結束時發生另一個任務切換）。

中斷向量表

在原始的 8086 處理器（以及所有真實模式下的 x86 處理器）中，中斷向量表控制了 ISR 的流程。IVT 從記憶體地址 0x00 開始，可以高達 0x3FF，最多可以有 256 個 ISR（從中斷 0 到 255）。IVT 中的每個條目包含 2 個字的資料：IP 的值和 CS 的值（按此順序）。例如，假設我們有以下中斷

int 14h

當我們觸發中斷時，處理器會轉到 IVT 中的第 21 個位置 (14h = 20，索引從 0 開始)。由於每個表條目為 4 個位元組（2 個位元組 IP，2 個位元組 CS），因此微處理器會轉到位置 [4*14H]=[50H]。在位置 50H 是新的 IP 值，在位置 52H 是新的 CS 值。硬體和軟體中斷都儲存在 IVT 中，因此安裝新的 ISR 就像將函式指標寫入 IVT 一樣簡單。在更新的 x86 模型中，IVT 被中斷描述符表取代。

當在真實模式下發生中斷時，FLAGS 暫存器會被壓入堆疊，然後是 CS，然後是 IP。iret 指令會恢復 CS:IP 和 FLAGS，使被中斷的程式不受影響地繼續執行。對於硬體中斷，所有其他暫存器（包括通用暫存器）必須顯式儲存（例如，如果中斷例程使用 AX，它應該在開始時壓入 AX，並在結束時彈出 AX）。對於軟體中斷，最好儲存所有暫存器，除了包含返回值的暫存器。更重要的是，任何被修改的暫存器都必須記錄在案。

中斷描述符表

維基百科在 中斷描述符表 中包含相關資訊

從 286 開始（但在 386 上擴充套件），中斷可以由記憶體中名為中斷描述符表 (IDT) 的表來管理。IDT 僅在處理器處於保護模式時才會起作用。與 IVT 非常相似，IDT 包含指向 ISR 例程的指標列表；但是，現在有三種方法可以呼叫 ISR

任務門：這些會導致任務切換，允許 ISR 在其自己的上下文中執行（使用它自己的 LDT 等）。請注意，IRET 仍然可以用於從 ISR 返回，因為處理器在 ISR 的任務段中設定了一個位，導致 IRET 執行任務切換以返回到先前的任務。
中斷門：這些類似於原始的中斷機制，將 EFLAGS、CS 和 EIP 放入堆疊。ISR 可以位於特權級別等於或高於當前執行段的段中，但不能位於特權級別較低的段中（特權級別數值較低，級別 0 是最高特權級別）。
陷阱門：這些與中斷門相同，只是它們不會清除中斷標誌。

以下 NASM 結構表示 IDT 條目

struc idt_entry_struct

	base_low:  resb 2
	sel:       resb 2
	always0:   resb 1
	flags:     resb 1
	base_high: resb 2

endstruc

欄位	中斷門	陷阱門	任務門
base_low	ISR 入口地址的低字		未用
sel	ISR 的段選擇器		TSS 描述符
always0	位 5、6 和 7 應為 0。位 0-4 未用，可以保留為零。		未用，可以保留為零。
flags	低 5 位是（MSB 優先）：01110，位 5 和 6 形成 DPL，位 7 是 Present 位。	低 5 位是（MSB 優先）：01111，位 5 和 6 形成 DPL，位 7 是 Present 位。	低 5 位是（MSB 優先）：00101，位 5 和 6 形成 DPL，位 7 是 Present 位。
base_high	ISR 入口地址的高字		未用

where

DPL 是描述符特權級別（0 到 3，其中 0 是最高特權級別）
Present 位指示該段是否在 RAM 中存在。如果此位為 0，則如果觸發中斷，將發生段不存在錯誤（異常 11）。

這些 ISR 通常由作業系統安裝和管理。只有具有足夠特權修改 IDT 內容的任務才能直接安裝 ISR。

ISR 本身必須放置在適當的段中（如果使用任務門，則必須設定適當的 TSS），特別是在特權級別永遠不低於執行程式碼的特權級別的情況下。不可預測中斷（例如硬體中斷）的 ISR 應放置在特權級別 0（這是最高特權級別）中，這樣在執行特權級別 0 任務時就不會違反此規則。

請注意，ISR，特別是硬體觸發的 ISR，應始終存在於記憶體中，除非有充分的理由不將其存在於記憶體中。大多數硬體中斷需要及時處理，而交換會導致明顯的延遲。此外，一些硬體 ISR（例如硬碟 ISR）可能在交換過程中需要。由於硬體觸發的 ISR 在不可預測的時間中斷程序，因此鼓勵裝置驅動程式程式設計師將 ISR 保持得非常短。ISR 通常只是安排核心任務完成必要的工作；此核心任務將在下一個合適的機會執行。因此，硬體觸發的 ISR 通常非常小，交換它們到磁碟幾乎沒有好處。

但是，即使 ISR 實際上存在於 RAM 中，也可能希望將 Present 位設定為 0。作業系統可以將段不存在處理程式用於其他功能，例如監控中斷呼叫。

IDT 暫存器

x86 包含一個暫存器，其作用是跟蹤 IDT。此暫存器稱為IDT 暫存器，或簡稱為“IDTR”。IDT 暫存器長 48 位。低 16 位稱為 IDTR 的 LIMIT 部分，高 32 位稱為 IDTR 的 BASE 部分

|LIMIT|----BASE----|

BASE 是 IDT 在記憶體中的基地址。IDT 可以位於記憶體中的任何位置，因此 BASE 需要指向它。LIMIT 欄位包含 IDT 的當前長度。

要載入 IDTR，使用LIDT指令

lidt [idtr]

要儲存 IDTR，使用SIDT指令

sub esp,6
sidt [esp]   ;store the idtr to the stack

中斷指令

int arg

呼叫指定的硬體中斷。

into 0x04

如果溢位標誌被置位，則呼叫中斷 4。

iret

從中斷服務例程 (ISR) 返回。

預設 ISR

良好的程式設計實踐是提供一個預設的 ISR，它可以作為未使用的中斷的佔位符。這樣做是為了防止在發生無法識別的中斷時執行隨機程式碼。預設 ISR 可以像一個簡單的 iret 指令一樣。

但是，請注意，在 DOS（處於真實模式）下，某些 IVT 條目包含指向重要位置（但不一定是可執行位置）的指標。例如，條目 0x1D 是指向影片控制器影片初始化引數表的遠指標，條目 0x1F 是指向圖形字元位圖表的指標。

停用中斷

有時，重要的是一個例程不會意外中斷。因此，x86 允許在必要時停用硬體中斷。這意味著處理器將忽略它從中斷控制器接收到的任何中斷訊號。通常，控制器將一直等待，直到處理器接受中斷訊號，因此中斷被延遲而不是被拒絕。

x86 在 FLAGS 暫存器中有一個中斷標誌 (IF)。當此標誌設定為 0 時，硬體中斷被停用，否則它們被啟用。命令 cli 將此標誌設定為 0，而 sti 將其設定為 1。將值載入到 FLAGS 暫存器中的指令（例如 popf 和 iret）也可能修改此標誌。

請注意，此標誌不會影響 int 指令或處理器異常；只有硬體生成的硬體中斷。另請注意，在保護模式下，執行許可權低於 IOPL 的程式碼如果使用 cli 或 sti，將生成一個異常。這意味著作業系統可以禁止“使用者”程式停用中斷，從而獲得對系統的控制權。

當中斷處理程式開始時，中斷會自動被停用；這確保處理程式不會被中斷（除非它發出 sti）。裝置驅動程式等軟體可能需要精確的計時，因此不應被中斷。這也有助於避免在短時間內兩次發生相同中斷時出現的問題。請注意，iret 指令在中斷處理程式開始之前恢復 FLAGS 的狀態，從而允許在中斷處理程式完成後發生進一步的中斷。

在執行某些系統任務（例如進入保護模式時）也應停用中斷。這包括執行多個步驟，如果處理器嘗試在該過程完成之前呼叫中斷處理程式，則有可能導致異常、執行無效程式碼、破壞記憶體或導致其他問題。