Прерывания для самых маленьких18.03.2016 22:18

Сегодня мы поговорим о прерываниях процессоров семейства x86 (-64). Подробнее под катом.
Прерывания — это как бы сигнал процессору, что надо прервать выполнение (их поэтому и назвали прерываниями) текущего кода и срочно сделать то, что указано в обработчике.
Все адреса обработчиков прерываний хранятся в IDT. Это таблица, в которой хранятся 256 (можно больше или меньше, но большие значения просто игнорируются) ячеек (векторы прерываний) с типом и атрибутами прерывания, одним просто нулевым значением, собственно адресом обработчика прерываний и селектором кода в GDT или LDT, который будет использовать данный вектор прерываний. Теперь немного о типе и атрибутах.
Тип прерывания и атрибуты занимают 8 бит. Первые 4 бита занимают тип:

0b0101: 32-битный гейт задачи, при появлении такого прерывания происходит хардверное переключение задачи (да-да, есть и такое, но его уже давно не используют)
0b0110: 16-битный гейт прерывания
0b0111: 16-битный гейт trap’a (я не знаю, как это перевести на русский язык, извините)
0b1110: 32-битный гейт прерывания
0b1111: 32-битный гейт trap’a

Далее идут атрибуты. Первым атрибутом является 1 бит, который задан в 0 для гейтов прерывания и в 1 для остальных. Далее идет уровень привилегий дескриптора — 2 бита, задающие минимальный уровень привилегий для вызова прерываний, и 1 бит, заданный в 0 для неиспользуемых прерываний.
Теперь о том, как процессор вызывает обработчики.
Допустим, что вы вызвали инструкцию int 0 в ассемблере. Это даст сигнал процессору, что надо вызвать прерывание 0, если это возможно. Вот последовательность действий, которые происходят при этом.

Поиск вектора №0 в IDT.
Сравнение уровня привилегий дескриптора и текущего уровня привилегий процессора.
Если текущий уровень привилегий процессора меньше уровня привилегий дескриптора, то просто вызвать генеральную ошибку защиты и не вызывать прерывание.
Происходит сохранение адреса возвращения, регистра (E)FLAGS и другой информации.
Происходит переход на адрес, указанный в векторе №0 IDT.
После выполнения обработчика инструкция iret возвращает управление прерванному коду.

Еще есть прерывания, которые генерируются самим процессором при определенных обстоятельствах — исключения. Вот их список с краткими описаниями:

Деление на ноль. Генерируется при, собственно, делении на ноль.
Отладочное исключение. Генерироваться само не может, используется для, собственно, отладки.
Немаскируемое прерывание. Генерируется при ошибках ОЗУ и невосстановимых ошибках «железа». Их невозможно замаскировать с помощью PIC (Programmable Interrupt Controller — программируемый контроллер прерываний), так как оно идет сразу в процессор, минуя PIC, но можно просто отключить.
Точка останова. Тоже используется для отладки, потому что его опкод занимает всего 1 байт, в отличии от остальных INT N. Переназначалось DOS-отладчиками для своих целей.
Переполнение. Генерируется инструкцией INTO, если в (E)FLAGS включен бит переполнения.
Выход за пределы. Генерируется при ошибке инструкции BOUND.
Недопустимый опкод. Генерируется при попытке выполнения недопустимого кода операции.
Устройство недоступно. Сейчас не используется, генерировался при попытке использования операций с плавающей точкой на процессорах без FPU.
Double fault. Сложно перевести название. Ошибка невосстановима, происходит при невозможности вызвать обработчик исключения.
Переполнение сегмента сопроцессора. Больше не используется.
Недопустимый TSS. Сегмент состояния задачи задан неправильно.
Сегмент отсутствует. Возникает при попытке загрузки сегмента с битом Present == 0.
Ошибка сегмента стека. Возникает при попытке загрузки сегмента с битом Present == 0 или переполнении стека.
Генеральная ошибка защиты. Генерируется в очень большом числе случаев, среди них есть ошибка сегмента, попытка выполнения инструкции без необходимых прав, запись туда, куда не надо, попытка доступа к нулевому дескриптору GDT и многое другое.
Ошибка страницы. Происходит при чтении или записи в несуществующую страницу памяти, попытке доступа к данным без необходимых прав или другом.
Ошибка с плавающей точкой. Происходит при выполнении инструкции FWAIT или WAIT с битом №5 в CR0 == 0.
Ошибка при проверке на выравнивание. Происходит только в третьем кольце привилегий процессора, если эта ошибка, конечно, включена.
Ошибка при проверке машины. Генерируется процессором при обнаружении «железных» ошибок.
Исключение с плавающей точкой SIMD. Генерируется при ошибках с 128-битными числами с плавающей точкой.
Ошибка виртуализации.
Ошибка безопасности.
Тройная ошибка. По сути исключением не является, это даже не прерывание. Происходит при невозможности вызвать Double Fault. Вызывает немедленную перезагрузку компьютера.

Существует особый тип прерываний — IRQ (Interrupt ReQuest), или же аппаратные прерывания, но я буду их для краткости называть просто IRQ. Технически они почти не отличаются от любых других прерываний, но генерируются не процессором или самим кодом, а устройствами, подключенными к компьютеру. К примеру, IRQ №0 генерируется PIT (таймер с программируемым интервалом), IRQ 1 генерируется при нажатии клавиши на клавиатуре, а IRQ 12 — при действии с PS/2-мышью.
Еще есть так называемые программные прерывания. Их, как понятно из названия, программа должна вызывать сама — никто их за нее не вызывает. Таковыми являются, например, системные вызовы в некоторых системах. В Linux, например, они висят на векторе 0×80. Во многих хобби-ОС они тоже висят на векторе 0×80. Теперь немного отсебятины — я думаю, что сисвызовы сделаны в виде прерываний из-за того, что 1) их так очень легко вызывать, 2) их можно вызвать из любого кода, работающего в ОС — IDT-то одна на всю систему.
Информация взята с OSDev Wiki.