Linux内核分析方法谈(3)
方法之三：以数据结构为基点，触类旁通结构化程序设计思想认为：程序 ＝ 数据结构 ＋ 算法。数据结构体现了整个系统的构架，所以数据结构通常都是代码分析的很好的着手点，对Linux内核分析尤其如此。比如，把进程控制块结构分析清楚了，就对进程有了基本的把握；再比如，把页目录结构和页表结构弄懂了，两级虚存映射和内存管理也就掌握得差不多了。为了体现循序渐进的思想，在这我就以Linux对中断机制的处理来介绍这种方法。
首先，必须指出的是：在此处，中断指广义的中断概义，它指所有通过idt进行的控制转移的机制和处理；它覆盖以下几个常用的概义：中断、异常、可屏蔽中断、不可屏蔽中断、硬中断、软中断 … … …
I、硬件提供的中断机制和约定
一.中断向量寻址：
硬件提供可供256个服务程序中断进入的入口，即中断向量；
中断向量在保护模式下的实现机制是中断描述符表idt，idt的位置由idtr确定,idtr是个48位的寄存器，高32位是idt的基址，低16位为idt的界限(通常为2k=256*8)；
idt中包含256个中断描述符，对应256个中断向量；每个中断描述符8位，其结构如图一：
中断进入过程如图二所示。
当中断是由低特权级转到高特权级(即当前特权级CPL>DPL)时，将进行堆栈的转移；内层堆栈的选择由当前tss的相应字段确定，而且内层堆栈将依次被压入如下数据：外层SS,外层ESP,EFLAGS,外层CS,外层EIP； 中断返回过程为一逆过程；
二.异常处理机制：
Intel公司保留0-31号中断向量用来处理异常事件：当产生一个异常时，处理机就会自动把控制转移到相应的处理程序的入口，异常的处理程序由操作系统提供，中断向量和异常事件对应如表一：
表一、中断向量和异常事件对应表
| 中断向量号 | 异常事件 | Linux的处理程序 |
| 0 | 除法错误 | Divide_error |
| 1 | 调试异常 | Debug |
| 2 | NMI中断 | Nmi |
| 3 | 单字节，int 3 | Int3 |
| 4 | 溢出 | Overflow |
| 5 | 边界监测中断 | Bounds |
| 6 | 无效操作码 | Invalid_op |
| 7 | 设备不可用 | Device_not_available |
| 8 | 双重故障 | Double_fault |
| 9 | 协处理器段溢出 | Coprocessor_segment_overrun |
| 10 | 无效TSS | Incalid_tss |
| 11 | 缺段中断 | Segment_not_present |
| 12 | 堆栈异常 | Stack_segment |
| 13 | 一般保护异常 | General_protection |
| 14 | 页异常 | Page_fault |
| 15 | Spurious_interrupt_bug | |
| 16 | 协处理器出错 | Coprocessor_error |
| 17 | 对齐检查中断 | Alignment_check |
三.可编程中断控制器8259A：
为更好的处理外部设备，x86微机提供了两片可编程中断控制器，用来辅助cpu接受外部的中断信号；对于中断，cpu只提供两个外接引线：NMI和INTR；
NMI只能通过端口操作来屏蔽，它通常用于：电源掉电和物理存储器奇偶验错；
INTR可通过直接设置中断屏蔽位来屏蔽，它可用来接受外部中断信号，但只有一个引线，不够用；所以它通过外接两片级链了的8259A,以接受更多的外部中断信号。8259A主要完成这样一些任务：
中断优先级排队管理，
接受外部中断请求
向cpu提供中断类型号
外部设备产生的中断信号在IRQ（中断请求）管脚上首先由中断控制器处理。中断控制器可以响应多个中断输入，它的输出连接到 CPU 的 INT 管脚，信号可通过INT 管脚，通知处理器产生了中断。如果 CPU 这时可以处理中断，CPU 会通过 INTA（中断确认）管脚上的信号通知中断控制器已接受中断，这时，中断控制器可将一个 8 位数据放置在数据总线上，这一 8 位数据也称为中断向量号，CPU 依据中断向量号和中断描述符表（IDT）中的信息自动调用相应的中断服务程序。图三中，两个中断控制器级联了起来，从属中断控制器的输出连接到了主中断控制器的第 3 个中断信号输入，这样，该系统可处理的外部中断数量最多可达 15 个，图的右边是 i386 PC 中各中断输入管脚的一般分配。可通过对8259A的初始化，使这15个外接引脚对应256个中断向量的任何15个连续的向量；由于intel公司保留0-31号中断向量用来处理异常事件(而默认情况下，IBM bios把硬中断设在0x08-0x0f)，所以，硬中断必须设在31以后，linux则在实模式下初始化时把其设在0x20-0x2F，对此下面还将具体说明。
图三、i386 PC 可编程中断控制器8259易做图链示意图
II、Linux的中断处理
硬件中断机制提供了256个入口，即idt中包含的256个中断描述符（对应256个中断向量）。
而0-31号中断向量被intel公司保留用来处理异常事件，不能另作它用。对这0-31号中断向量，操作系统只需提供异常的处理程序，当产生一个异常时，处理机就会自动把控制转移到相应的处理程序的入口，运行相应的处理程序；而事实上，对于这32个处理异常的中断向量，此版本（2.2.5）的Linux只提供了0-17号中断向量的处理程序，其对应处理程序参见表一、中断向量和异常事件对应表；也就是说，17-31号中断向量是空着未用的。
既然0-31号中断向量已被保留，那么，就是剩下32-255共224个中断向量可用。这224个中断向量又是怎么分配的呢？在此版本（2.2.5）的Linux中，除了0x80 (SYSCALL_VECTOR)用作系统调用总入口之外，其他都用在外部硬件中断源上，其中包括可编程中断控制器8259A的15个irq；事实上，当没有定义CONFIG_X86_IO_APIC时，其他223(除0x80外)个中断向量，只利用了从32号开始的15个，其它208个空着未用。
这些中断服务程序入口的设置将在下面有详细说明。
一．相关数据结构
中断描述符表idt： 也就是中断向量表，相当如一个数组，保存着各中断服务例程的入口。（详细描述参见图一、中断描述符格式）
与硬中断相关数据结构:
与硬中断相关数据结构主要有三个：
一：定义在/arch/i386/kernel/irq.h中的
struct hw_interrupt_type {const char * typename；void (*startup)(unsigned int irq)；void (*shutdown)(unsigned int irq)；void (*handle)(unsigned int irq, struct pt_regs * regs)；void (*enable)(unsigned int irq)；void (*disable)(unsigned int irq)；}；二：定义在/arch/i386/kernel/irq.h中的
typedef struct {unsigned int status； /* IRQ status - IRQ_INPROGRESS, IRQ_DISABLED */struct hw_interrupt_type *handler； /* handle/enable/disable functions */struct irqaction *action； /* IRQ action list */unsigned int depth； /* Disable depth for nested irq disables */} irq_desc_t； 三：定义在include/linux/ interrupt.h中的
struct irqaction {void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *)；unsigned long flags；unsigned long mask；const char *name；void *dev_id；struct irqaction *next；}；三者关系如下：
图四、与硬中断相关的几个数据结构各关系
各结构成员详述如下：
struct irqaction结构,它包含了内核接收到特定IRQ之后应该采取的操作，其成员如下：
handler：是一指向某个函数的指针。该函数就是所在结构对相应中断的处理函数。
flags：取值只有SA_INTERRUPT（中断可嵌套），SA_SAMPLE_RANDOM（这个中断是源于物理随机
