处理器和中断

理想的处理器

• 无情的执行指令的机器

for (day = TODAY;
    day != FOREVER; day++);
        say("I love you\n");

实际的处理器并不是 “无情地执行指令”

• 还 “有情” 地响应外部的中断
  • 你在图书馆陷入了自习的死循环……
  • 清场的保安打断了你

中断 = 一根线

• “告诉处理器：停停，有事来了”，剩下全是处理器的事

处理器的中断行为

如果处理器中断打开

• x86 Family (CISC 的历史遗迹；处理器实现的噩梦)
  • 询问中断控制器获得中断号 $n$
  • 保存 CS, EIP, EFLAGS, SS, ESP 到堆栈
  • 跳转到 IDT[n] 中的 “Gate”
    • 一个描述带权限切换长跳转的数据结构
• RISC-V (M-Mode, Direct Exception Mode)
  • 检查 mie 是否屏蔽此次中断
  • 跳转 PC = (mtvec & ~0xf)
  • 更新 mcause.Interrupt = 1

另一种理解中断的方式

强制 “插入” 的 syscall

• 中断
  • 保存 mepc = PC
  • 跳转 PC = (mtvec & ~0xf)
  • 更新 mcause.Interrupt = 1
• 系统调用 (ecall)
  • 保存 mepc = PC
  • 跳转 PC = (mtvec & ~0xf)
  • 更新 mcause.Ecall = 1
• “无论你现在在做什么，都去执行一下操作系统内核的代码吧”

中断：奠定操作系统 “霸主地位” 的机制

操作系统内核 (代码)

• 想开就开，想关就关

应用程序

• 对不起，没有中断
  • 在 gdb 里可以看到 flags 寄存器 (FL_IF)
  • CLI — Clear Interrupt Flag
    • #GP(0) If CPL is greater than IOPL and less than 3
    • 试一试 asm volatile ("cli");
• 无论什么样的代码，都会被打断

假想一个中断

操作系统代码应该做什么？

• mov (kernel_rsp), %rsp
  • 这将是致命的
  • 进程 (状态机) 的状态就永远丢失了
• 首先：封存状态机 (寄存器)
  • 内存由数据结构控制，
• 然后：执行操作系统代码
  • C 代码可以任意使用寄存器
  • 操作系统代码选择一个返回的状态机
  • 恢复寄存器状态，执行 sysret (iret)

实现上下文切换

操作系统的实现技巧

• 设置一个 “current context”
• 保存寄存器现场 & 恢复寄存器现场
  • AbstractMachine 已经帮你获得了寄存器

Context *on_interrupt(Event ev, Context *ctx) {
    // Save context.
    current->context = *ctx;

    // Thread schedule.
    current = current->next;

    // Restore current thread's context.
    return &current->context;
}