参考 · 中断与异常:IDT、8259A PIC、8254 PIT 与 ISR 栈帧

查阅层。这一页是 Cinux 中断子系统的速查表,不按 tag 组织,给后续每一章(键盘 014、鼠标 030、调度器 020、系统调用 023、CoW page fault 035……)查向量号、门描述符布局、EOI 规则、ISR 栈账用。实现以最终 tag 035_multi_terminal 的源码为准;某个特性是哪一 tag 引入的,在行内点出。
范围:CPU 异常(0–31)+ 8259A PIC 重映射后的硬件 IRQ(0x20–0x2F)+ 8254 PIT 节拍。不含 APIC/IOAPIC、不含 MSI、不含中断虚拟化——Cinux 全程用经典 8259A。

子系统地图

text

   CPU 异常 (#DE..#PF, vector 0..31)        硬件设备 (键盘/鼠标/RTC/IDE…)
        │  CPU 自动压栈 + 查 IDT                    │  拉低 8259A IRQ 线
        ▼                                            ▼
   ┌─────────────────────────┐            ┌──────────────────────────┐
   │  IDT (256 × 16B 门描述符) │            │  8259A PIC (主 0x20/从 0xA0) │
   │  vector → stub + selector│            │  重映射:IRQ0-7→0x20-0x27    │
   │               + type_attr│            │         IRQ8-15→0x28-0x2F   │
   └────────────┬────────────┘            └──────────────┬───────────┘
                │  jmp stub                              │  投递 INT vector
                ▼                                        ▼
   ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
   │  ISR stub (interrupts.S):压假错误码 + 存 15 GPR + 对齐 padding      │
   │     leaq 8(%rsp),%rdi  →  call C handler(InterruptFrame*)        │
   └─────────────────────────────────┬───────────────────────────────┘
                                     ▼
              C handler(exception_handlers.cpp / irq_handlers.cpp / 各驱动)
                                     │  末尾必须 PIC::send_eoi(irq)(IRQ 才需要)
                                     ▼
              stub 恢复 GPR、弹错误码、iretq

调用方依次:GDT::init → IDT::init(装异常门)→ PIC::init(重映射,默认全 mask)→ 注册 IRQ stub → PIC::unmask(irq) → sti。PIT/键盘/鼠标各自 init 后再 unmask 对应 IRQ。

异常向量表

idt.hpp 的 ExceptionVector 枚举 + idt.cpp 的路由表(IDT::init 里那张 data-driven 表):

向量	助记	名称	错误码	门类型	特权级	IST
0	#DE	Divide Error	否	Interrupt	Kernel	0
1	#DB	Debug	否	Trap	Kernel	0
2	—	NMI	否	Interrupt	Kernel	0
3	#BP	Breakpoint (INT3)	否	Trap	User (DPL3)	0
4	#OF	Overflow	否	Interrupt	Kernel	0
5	#BR	BOUND Range	否	Interrupt	Kernel	0
6	#UD	Invalid Opcode	否	Interrupt	Kernel	0
7	#NM	Device Not Available	否	Interrupt	Kernel	0
8	#DF	Double Fault	是	Interrupt	Kernel	1
10	#TS	Invalid TSS	是	Interrupt	Kernel	0
11	#NP	Segment Not Present	是	Interrupt	Kernel	0
12	#SS	Stack-Segment Fault	是	Interrupt	Kernel	0
13	#GP	General Protection	是	Interrupt	Kernel	0
14	#PF	Page Fault	是	Interrupt	Kernel	0

门类型策略(设计决定):#BP(3) 与 #DB(1) 用 Trap 门(进入门时 IF 保持);其余异常一律 Interrupt 门(进入即 cli,IF 清零)。向量 9(协处理器段越界)在 64 位下已废弃,路由表不注册。#BP 是唯一一个 DPL=3 的异常——这样才能让 ring-3 的 int3 陷进来。

诚实点:只有 #DF 用了 IST 1(独立栈)。 #PF(14)在 tag 035 仍是 IST 0、走当前栈。document/notes/030/ 里设想的「#PF 用 IST2 + guard page」修法在最终 tag 仍未落地——split_2mb_page/unmap 无调用点。引用 guard page 机制前,先 git show <tag>:kernel/arch/x86_64/idt.cpp 核对 #PF 那行的 ist 字段。

IDT 门描述符(每项 16 字节)

IDT::Entry([[gnu::packed]],static_assert(sizeof(Entry)==16)):

字段	位宽	说明
offset_low	16	handler 地址低 16 位
selector	16	段选择子(Cinux 用 `GDT_KERNEL_CODE`)
ist	8	IST 索引(0 = 不切换栈)
type_attr	8	P/DPL/Type,见下
offset_mid	16	handler 地址中 16 位
offset_high	32	handler 地址高 32 位
reserved	32	恒 0

type_attr 由 make_idt_attr(priv, gate) 拼:0x80 | priv | gate,其中 0x80 是 present 位。常见组合:

组合	type_attr	含义
Kernel + Interrupt	`0x8E`	ring0,中断门,清 IF
Kernel + Trap	`0x8F`	ring0,陷阱门,保 IF(#DB)
User + Trap	`0xEF`	ring3,陷阱门(#BP,允许用户态 `int3`)
User + Interrupt	`0xEE`	ring3,中断门(系统调用若用 `int` 指令会走这个)

IDT 加载:IDT::load() 执行 lidt(64 位 idtr = 16 位 limit + 64 位 base)。IDT::kMaxEntries = 256。

8259A PIC

端口(PicPort):

端口	用途
`0x20` / `0xA0`	主 / 从 PIC 命令口(也是 EOI 口)
`0x21` / `0xA1`	主 / 从 PIC 数据口(IMR 中断屏蔽寄存器 / ICW2-4)

PIC::init(master_offset=0x20, slave_offset=0x28) 发 ICW1-ICW4 把两片 PIC 重映射:

主片 IRQ0-7 → INT 0x20-0x27
从片 IRQ8-15 → INT 0x28-0x2F(从片级联在主片 IRQ2)
8086 模式、手动 EOI(不用 auto-EOI)

常用 IRQ 号(重映射后):

IRQ	INT	设备	谁用
0	0x20	PIT channel 0	PIT 节拍 / GUI tick
1	0x21	键盘 PS/2	Keyboard (014)
2	0x22	级联(从片)	—
8	0x28	RTC	—
12	0x2C	鼠标 PS/2 (AUX)	Mouse (030)
14	0x2E	主 IDE	—

EOI 规则:PIC::send_eoi(irq)——传的是硬件 IRQ 号(0-15),不是 INT 向量。从片 IRQ(8-15)要同时给从片和主片发 EOI;主片 IRQ(0-7)只给主片。每个 IRQ handler 末尾必须发 EOI,否则下一次中断永远不再投递——这是 Cinux 里反复踩的坑(键盘、鼠标、PIT 都中过)。

PIC::mask(irq) / unmask(irq) 改 IMR 对应位;disable_all() 写 0xFF 到两片数据口。init 后默认全 mask,用到哪个再 unmask。

8254 PIT(channel 0)

端口(PitHW):

端口	用途
`0x40`	channel 0 数据口(→ IRQ0)
`0x41`	channel 1(内存刷新,别碰)
`0x42`	channel 2(PC speaker)
`0x43`	命令/模式寄存器

PIT::init(freq_hz=100) 发命令 0x36(channel 0 | LSB-then-MSB | 方波 mode 3 | 二进制)到 0x43,再把 16 位 divisor(=1193182 / freq_hz)按低字节、高字节顺序写进 0x40。100 Hz 对应 divisor ≈ 11931,即每 10 ms 一次 IRQ0。频率范围 ~19 Hz(divisor=65535)到 1193182 Hz(divisor=1)。

PIT::irq0_handler 递增全局 tick_count_(std::atomic),每 freq_hz 次打印一次 uptime,末尾 send_eoi(0)。GUI 构建下还能 set_tick_callback(cb, ctx) 注册每 tick 回调(029 用来 flip 画布、030 用来排空 GUI 事件队列 + composite)。注意:回调跑在 IRQ0 中断上下文里,不能阻塞、不能长拷贝。

中断标志(IF)控制

irq.hpp 是 cli/sti/pushfq/popfq 的薄封装,全部带 "memory" clobber(既是编译屏障):

函数	作用
`irq_disable()`	`cli`
`irq_enable()`	`sti`
`irq_save()`	`pushfq; popq; cli`——返回旧 RFLAGS 并关中断
`irq_restore(f)`	`pushq f; popfq`——恢复(含 IF)
`irq_enabled()`	读 RFLAGS,查 bit `0x200`(IF 位)
`hlt()`	暂停到下一个中断(调用前必须 `sti`,否则永远卡住)

irq_save() / irq_restore() 是临界区标配:{ auto f = irq_save(); ...; irq_restore(f); }。host 测试(CINUX_HOST_TEST)下这些全是 no-op。

ISR stub 与栈帧(`interrupts.S`)

两个宏:ISR_NOERRCODE(CPU 不压错误码,stub 自己压个 dummy 0)与 ISR_ERRCODE(CPU 已压错误码)。两者都:

存 15 个 GPR(push 顺序 rax,rbx,rcx,rdx,rbp,rsi,rdi,r8-r15);
push $0 垫 8 字节对齐 padding;
leaq 8(%rsp), %rdi——InterruptFrame* 跳过 padding,指向最后压的 r15 字段;
call C handler;
addq $8,%rsp 弹 padding,pop 还原 15 GPR,addq $8,%rsp 弹错误码,iretq。

InterruptFrame([[gnu::packed]],字段从低地址到高地址):r15,r14,r13,r12,r11,r10,r9,r8,rdi,rsi,rbp,rdx,rcx,rbx,rax,error_code,rip,cs,rflags,rsp,ss。注意 struct 顺序与 push 顺序相反——最先 push 的 rax 在最高地址、排在 struct 末尾;leaq 8(%rsp) 指向最后 push 的 r15(最低地址、struct 开头)。

栈对齐账(为什么要那 8 字节 padding): System V AMD64 ABI 要求进入函数瞬间 RSP ≡ 8 (mod 16)。无错误码异常:CPU 压 5×8=40,stub 压 dummy 8 + 15 GPR 120 + padding 8 = 136,合计 176,call 再压 8 = 184,184 ≡ 8 (mod 16) ✓。有错误码异常:CPU 压 6×8=48,stub 压 15 GPR 120 + padding 8 = 128,合计 176,call +8 = 184,同样 ✓。没有这 8 字节 padding,handler 入口会落在 RSP ≡ 0,编译器一旦生成 movaps 等 16 字节对齐指令就 #GP——这正是 tag 030 开机即 #GP 的根因(详见 030-gp-stack-alignment.md)。

约束与边界(本子系统的真实限制)

手动 EOI,不用 auto-EOI。 忘了 send_eoi → 该 IRQ 不再来;给没发生的 IRQ 发 EOI → 假中断(spurious IRQ7 / IRQ15)。
只有 #DF 用 IST 1。 其余异常(含 #PF)IST 0、走当前栈。内核栈溢出会直接 triple fault,没有 guard page 兜底(修法见 notes,未落地)。
PIC 是 8259A,不是 APIC。 只有 15 个可用 IRQ(IRQ2 被级联占)、无优先级动态分发、无多核投递。要 SMP 必须迁 APIC/IOAPIC。
PIT 回调在中断上下文。 set_tick_callback 注册的函数跑在 IRQ0 里,不能睡、不能 new、不能长拷贝(029 flip 的整帧 memcopy 其实是个隐患,真实系统该用下半部)。
异常打印用 fatal_halt。 除 #PF 被 035 接进 CoW 处理外,大多数异常 handler 直接打印 InterruptFrame 后 hlt 死循环,不做恢复。
sti 后立即 hlt 是节拍等待的常用模式;cli 后 hlt 会永久卡死。

验证入口

host 单测:ctest --test-dir build -R "gdt_idt|pic|pit" --output-on-failure(test/unit/test_gdt_idt.cpp、test_pic.cpp、test_pit.cpp)。
QEMU 机内测:cmake --build build --target run-big-kernel-test(kernel/test/test_gdt_idt.cpp、test_pic_pit.cpp 走真 IDT/PIC)。
可视化:cmake --build build --target run,看 [TICK] uptime: Ns 节拍输出、键盘/鼠标响应。

源码索引

IDT:idt.hpp / idt.cpp(异常向量、门类型、IST 路由表)。
ISR stub:interrupts.S(ISR_NOERRCODE/ISR_ERRCODE 宏、对齐 padding)。
异常 handler:exception_handlers.cpp。
PIC:pic.hpp / pic.cpp。
IRQ flag:irq.hpp(cli/sti/irq_save)。
IRQ handler 注册:irq_handlers.cpp。
PIT:pit.hpp / pit.cpp。

权威依据

Intel SDM Vol 3,Ch 6(IDT、异常与中断、门描述符、IST)、Ch 8(双核异常 / #DF 与 TSS):门描述符 16 字节布局、P/DPL/Type 编码、IST 切栈规则、向量 0–31 分配。
8259A datasheet:ICW1-4 初始化序列、OCW2 EOI(0x20)、IMR 读写、级联。
Intel 8254 datasheet:channel 0-2、命令字 0x36(channel 0 | LSB-MSB | mode 3)、基准时钟 1.193182 MHz。
OSDev — 8259 PIC、PIT、Interrupt Descriptor Table。
System V AMD64 ABI §3.2.2(The Stack Frame,handler 入口 RSP ≡ 8 mod 16):https://gitlab.com/x86-psABIs/x86-64-ABI。

参考 · 中断与异常:IDT、8259A PIC、8254 PIT 与 ISR 栈帧 ​

子系统地图 ​

异常向量表 ​

IDT 门描述符(每项 16 字节) ​

8259A PIC ​

8254 PIT(channel 0) ​

中断标志(IF)控制 ​

ISR stub 与栈帧(interrupts.S) ​

约束与边界(本子系统的真实限制) ​

验证入口 ​

源码索引 ​

权威依据 ​