中断与异常处理

KanaDE2026/5/9大约 2 分钟Wiki操作系统

x86-64 定义 256 个中断向量，前 32 个（0-31）由 CPU 保留用于异常。

IDT 描述符结构

每项 16 字节，格式如下：

| 63-48 | 47-40 | 39-32 | 31-16    | 15-0     | Bits
|--------|--------|--------|----------|----------|
| isr_high (32 bit)   | attr   | ist     | isr_mid  | isr_low  | Fields
| 保留   | ISR[63:32]       | Flags  | IST | ISR[31:16]| ISR[15:0]|

IDT entry 结构体定义

struct idt_entry {
  uint16_t isr_low;      // ISR 地址低 16 位
  uint16_t kernel_cs;    // 代码段选择子 = 0x08
  uint8_t  ist;          // 中断栈表编号（0=不使用）
  uint8_t  attributes;   // 门类型 + 特权级
  uint16_t isr_middle;   // ISR 地址中 16 位
  uint32_t isr_high;     // ISR 地址高 32 位
  uint32_t reserved;     // 必须为 0
} __attribute__((packed));

Attributes 字段解码

Bit: 7  6  5  4  3  2  1  0
     P  DPL  DPL  0  GateType

值	含义
`0x8E`	P=1（存在），DPL=00（Ring 0），Type=0xE（64位中断门）
`0xEE`	P=1，DPL=11（Ring 3 可经由 `int` 触发），Type=0xE

CPU 异常（0-31）

无错误码

向量	名称	说明
#0	Division Error	除零（`div` 指令）
#1	Debug	调试异常
#2	NMI	不可屏蔽中断
#3	Breakpoint	`int3` 断点
#4	Overflow	`into` 指令
#5	Bound Range	`bound` 指令越界
#6	Invalid Opcode	无效指令
#7	Device Not Available	x87/SSE 未启用
#9	Coprocessor Segment Overrun	历史遗留
#15	(Reserved)	—
#16	x87 FP Exception	浮点异常
#18	Machine Check	硬件错误
#19	SIMD FP Exception	SSE 浮点异常
#20	Virtualization Exception	VT-x 退出
#22-27	(Reserved)	—
#28	Hypervisor Injection	Hyper-V
#31	(Reserved)	—

有错误码

向量	名称	说明
#8	Double Fault	异常处理中再次异常
#10	Invalid TSS	TSS 加载失败
#11	Segment Not Present	段不存在
#12	Stack-Segment Fault	栈操作越界
#13	General Protection Fault	通用保护
#14	Page Fault	缺页（CR2=故障地址）
#17	Alignment Check	未对齐访问
#21	Control Protection	CET 保护
#29	VMM Communication	VMM 通信
#30	Security Exception	安全异常

Page Fault（#14）最重要

缺页时 CR2 保存了触发异常的虚拟地址，是 VMM 调试的关键线索。异常错误码的低 4 位描述了缺页原因：

Bit 0 (P)：0=页不存在，1=保护违规
Bit 1 (W/R)：0=读，1=写
Bit 2 (U/S)：0=内核态，1=用户态

ISR 宏生成

使用 __attribute__((interrupt)) 配合宏批量生成 32 个处理函数：

// 无错误码的异常
#define ISR_NO_ERR(vector, name)                   \
  __attribute__((interrupt)) void isr_##vector(    \
      struct interrupt_frame *frame) {              \
    panic_handler(frame, vector, 0, name);          \
  }

// 有错误码的异常
#define ISR_ERR(vector, name)                      \
  __attribute__((interrupt)) void isr_##vector(    \
      struct interrupt_frame *frame,                \
      uint64_t error_code) {                        \
    panic_handler(frame, vector, error_code, name); \
  }

Panic 输出格式

==================================================
KERNEL PANIC: General Protection Fault
==================================================
Vector:    0xD
Error Code:0x0

RIP:       0xFFFFFFFF80001234
CS:        0x08
RFLAGS:    0x202
RSP:       0xFFFFFFFF80010000
SS:        0x10

CR2 (Fault Address): 0x0     ← 仅 Page Fault

System Halted.

关键汇编指令

指令	作用
`lidt [mem]`	加载 IDTR（IDT 基址 + 限长）
`sti`	开中断（设 RFLAGS.IF）
`cli`	关中断（清 RFLAGS.IF）
`iretq`	从中断返回（64位模式）
`invlpg [addr]`	刷新 TLB 中指定地址的条目

交叉引用

启动流程与CPU初始化 — GDT 初始化
内存管理 — Page Fault 与 VMM 的关系