羽夏看Linux内核——中断与分页相关入门知识

写在前面

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你如果是从中间插过来看的，请仔细阅读 羽夏看Linux系统内核——简述 ，方便学习本教程。

中断

  中断通常是由CPU外部的输入输出设备（硬件）所触发的，供外部设备通知CPU有事情需要处理，因此又叫中断请求，英文为Interrupt Request。中断请求的目的是希望CPU暂时停止执行当前正在执行的程序，转去执行中断请求所对应的中断处理例程，中断处理程序由哪有IDT表决定。
  80x86有两条中断请求线：非屏蔽中断线，NMI，全称NonMaskable Interrupt和可屏蔽中断线，INTR，全称Interrupt Require。

不可屏蔽中断

  什么是不可屏蔽中断？CPU的EFLAG之中有一个位，它是IF位。如果它被置0。如果有可屏蔽中断告诉CPU有中断来了，你能先执行我的代码呢？可是IF位是0，对不起，我听不见。左耳朵进，右耳朵出。反之，我会处理。常见的不可屏蔽中断有电脑长按关机、键盘输入等等。当非可屏蔽中断产生时，CPU在执行完当前指令后会里面进入中断处理程序，非可屏蔽中断不受那个位的影响，一旦发生，CPU必须处理。为了方便观看，给个EFLAG图解：

  那么CPU是如何处理我们的不可屏蔽中断呢？我们先来看如下表格：

(IDT表)中断号	NMI	说明
0x2	不可屏蔽中断	80x86 中固定为 0x2

  如果处理不可屏蔽中断，CPU会调用2号中断。涉及的IDT表和中断门的知识如果忘却请查看前面的教程。

可屏蔽中断

  什么是可屏蔽中断，我就不赘述了。在硬件级，可屏蔽中断是由一块专门的芯片来管理的，通常称为中断控制器。它负责分配中断资源和管理各个中断源发出的中断请求.为了便于标识各个中断请求，中断管理器通常用IRQ，全称为Interrupt Request，后面加上数字来表示不同的中断。
  那么CPU是如何处理我们的可屏蔽中断呢？我们先来看如下表格：

（IDT表）中断号	IRQ	说明
0x30	IRQ0	时钟中断
0x31-0x3F	IRQ1-IRQ15	其他硬件设备的中断

  如果自己的程序执行时不希望CPU去处理这些中断，可以用CLI指令清空EFLAG寄存器中的IF位，用STI指令设置EFLAG寄存器中的IF位。
  硬件中断与IDT表中的对应关系并非固定不变的，可以参考白皮书的Chapter 10 Advanced Programmable Interrupt Controller(APIC)进行了解。

异常

  异常通常是CPU在执行指令时检测到的某些错误，比如除0、访问无效页等。中断与异常之间有一些相似之处，但它们是不一样的：中断来自于外部设备，是中断源（比如键盘）发起的，CPU是被动的；而异常来自于CPU本身，是CPU主动产生的。INT N虽然被称为“软件中断”，但其本质是异常，EFLAG的IF位对INT N是无效。

异常处理

  无论是由硬件设备触发的中断请求还是由CPU产生的异常，处理程序都在IDT表。常见的异常处理程序如下表所示：

错误类型	（IDT表）中断号
页错误	0xE
段错误	0xD
除零错误	0x0
双重错误	0x8

控制寄存器

  控制寄存器用于控制和确定CPU的操作模式。控制寄存器有Cr0、Cr1、Cr2、Cr3、Cr4。Cr1被保留了，Cr3用于页目录表基址，其他的将继续详细讲解。

Cr0

  Cr0是一个十分重要的寄存器，可以说它是总开关的集合体。如下图所示：

  PE位是启用保护模式（Protection Enable）标志。若PE = 1是开启保护模式，反之为实地址模式。这个标志仅开启段级保护，而并没有启用分页机制。若要启用分页机制，那么PE和PG标志都要置位。
  PG位是启用分页机制。在开启这个标志之前必须已经或者同时开启PE标志。PG = 0且PE = 0，处理器工作在实地址模式下。PG = 0且PE = 1，处理器工作在没有开启分页机制的保护模式下。PG = 1且PE = 0，在PE没有开启的情况下无法开启PG。PG = 1且PE = 1，处理器工作在开启了分页机制的保护模式下。
  WP位对于Intel 80486或以上的CPU，是写保护（Write Proctect）标志。当设置该标志时，处理器会禁止超级用户程序（例如特权级0的程序）向用户级只读页面执行写操作；当CPL < 3的时候，如果WP = 0可以读写任意用户级物理页，只要线性地址有效。如果WP = 1可以读取任意用户级物理页，但对于只读的物理页，则不能写。

Cr2

  当CPU访问某个无效页面时，会产生缺页异常，此时，CPU会将引起异常的线性地址存放在CR2中，如下图所示：

Cr4

  Cr4的结构如下图所示：

  VME用于虚拟8086模式。PAE用于确认是哪个分页，PAE = 1，是2-9-9-12分页，PAE = 0是10-10-12分页。PSE是大页是否开启的总开关，如果置0，就算PDE中设置了大页你也得是普通的页。至于分页到底是什么，将会之后进行讲解。

中断小节

  有些结构的位我并没有详细介绍，详情请查看白皮书的控制寄存器的篇章，如下图所示：

  如果对分页不了解看不懂没关系，接下来将会介绍相关知识。

分页

  在讲解分页基础之前，我们先大体了解CPU是如何在保护模式下访问数据的，如下图所示：

  比如我们执行mov eax,ds:[0x12345678]这句汇编指令的时候，0x12345678这个线性地址会传递给CPU，先查询TLB和缓存有没有，有的话直接取出来返回；如果没有，经过MMU（内存管理单元）处理得到物理地址，通过固定的分页模式直接找到，取出数据返回。
  前面的教程讲解了段的机制，接下来将介绍页的机制。CPU为了方便管理物理内存，按照页的方式进行管理内存。可用的所有内存可以类比为一本书，而所有的内存被分为这本书的一个页。对于32位来说，它有10-10-12分页和2-9-9-12分页。其中10-10-12分页最为简单，故拿其作为详细讲解，作为分页讲解的基础。
  我们都了解一个进程都有4GB的虚拟地址空间，它们并不是真正的地址，而是个索引。它通过某种方式进行转换，从而指向真正的物理地址，示意图如下所示：

  而虚拟地址也被称作线性地址。举个例子，比如某个进程里面我想读取一个0x12345678，它就是线性地址，通过一些转换，找到了对应的物理地址0x10101010，如下图所示：

  每个进程都有一个CR3，准确的说是都一个CR3的值。CR3本身是个寄存器，一核一套。CR3里面放的是一个真正的物理地址，指向一个物理页，一共4096字节，如下图所示：

  对于10-10-12分页来说，线性地址对应的物理地址是有对应关系的，它被分成了三个部分，每个部分都有它具体的含义。线性地址分配的结构如下图所示：

  第一个部分指的是PDE在PDT的索引，第二部分是PTE在PTT的索引，第三个部分是在PTE指向的物理页的偏移。PDT被称为页目录表，PTT被称为页表。PDE和PTE分别是它们的成员，大小为4个字节。我们接下来将详细介绍每一个部分是咋用的。

10-10-12 分页整体结构

  通过实验我们了解了它们的结构，接下来将详细介绍了。根据实验结果的体验，可以给出如下图：

  分页并不是由操作系统决定的，而是由CPU决定的。只是操作系统遵守了CPU的约定来实现的。物理页是什么？物理页是操作系统对可用的物理内存的抽象，按照4KB的大小进行管理（Intel是按照这个值做的，别的CPU就不清楚了），和真实硬件层面上的内存有一层的映射关系，这个不是保护模式的范畴，故不介绍。

PDE 与 PTE

  前面我们简单了解PDE和PTE，接下来将学习它们的属性结构，结构如下：

P 位

  表示PDE或者PTE是否有效，如果有效为1，反之为0。

R/W 位

  如果R/W = 0，表示是只读的，反之为可读可写。

U/S 位

  如果U/S = 0，则为特权用户（super user），即非3环权限。反之，则为普通用户，即为3环权限。

PS位

  这个位只对PDE有意义。如果PS == 1，则PDE直接指向物理页，不再指向PTE，低22位是页内偏移。它的大小为4MB，俗称“大页”。

A 位

  是否被访问，即是否被读或者写过，如果被访问过则置1。

D 位

  脏位，指示是否被写过。若没有被写过为0，被写过为1。

注意，下面的三个位的讲解将涉及 TLB 和控制寄存器相关知识，为了保证文章的完整性，故先介绍。之后将会详细讲解。

G 位

  表示是否为全局页。它的作用是什么呢？举个例子，操作系统的进程的高2G映射基本不变，如果Cr3改了，TLB刷新重建高2G以上很浪费。所以PDE和PTE中有个G位，如果为1，刷新TLB时将不会刷新它指向的页。

PWT 位

  当PWT = 1，写缓存的时候也要将数据写入内存中。

PCD 位

  当PCD = 1时，禁止某个页写入缓存，直接写内存。比如，做页表用的页，已经存储在TLB中了，可能不需要再缓存了。

注意事项

• PTE可以没有物理页，且只能对应一个物理页。
• 多个PTE也可以指向同一个物理页。
• PDE和PTE重合的属性共同决定着最终物理页的属性。比如P位，如果有一个是0，那么最终的物理页就是无效的。但是PDE和PTE它们的属性的影响范围是不一样的。数值上：物理页的属性 = PDE属性 & PTE属性。

PAE 分页

  PAE分页是啥，其实他就是2-9-9-12分页的英文缩写。为什么要有2-9-9-12分页，其实还是物理页不够用了，需要扩展。但想要足够的物理页，位数在那里，你想大也大不了。那么我就需要扩展物理页地址的位数，于是乎2-9-9-12分页诞生了，它整体分页的结构如下：

  与10-10-12分页不同的地方就是，多了一层名为页目录指针表的东西，英文缩写为PDPTT。每个PDE和PTE被扩展为8个字节，物理地址描述的位数扩展为24位，故可以描述更多的物理页，但个数减半，变成了512个。下面详细查看它们的结构。
  首先看PDPTT的结构。由2-9-9-12的2可知第一部分由两位二进制组成，那么最多有4种结果。也就是为什么有五个成员，它的结构如下图所示：

  然后是PDE，既然学过了10-10-12分页，直接看下面的结构示意图吧：

非大页

大页

  然后是PTE，同理不多说了：

  我们之前做一道作业题目知道，我写的shellcode写到一个页上，它并没有执行权限，但它不是代码，仍然可以被我执行。为了弥补这个漏洞，Intel给我们补了一个硬件层面上的漏洞，它是一个位，处于PDE和PTE的最高位，如下图所示：

  如果最高位是1，说明被保护。如果这个是数据，且这个X位被置为1，则会被报出异常不能执行。反之，和正常的10-10-12分页没什么两样。
  一个进程的线性地址仍是4GB的线性空间，有再多的物理页有啥用呢？在10-10-12分页下，假设进程一启动，就把所有的物理页都挂上，且没有任何交换。那么只能启动一个；如果在2-9-9-12分页下，同样的情况，它可以启动4个进程。这个就是2-9-9-12分页的意义。

TLB

  CPU通过页的方式对物理内存进行了，需要通过某种运算方式才能访问真正的内存。但是，如果频繁访问某一个线性地址，每次都得通过推算到真正的物理地址然后进行读写操作，是不是挺浪费效率的？Intel就考虑到性能的问题，提供了TLB这一个机制，提供缓存提高读写效率。
  TLB的全称为Translation Lookaside Buffer，它的结构如下：

LA（线性地址）	PA（物理地址）	ATTR（属性）	LRU（统计）

  对于TLB，给出如下说明：
  1. ATTR（属性）：如果是2-9-9-12分页，属性是PDPE、PDE、PTE三个属性共同决定的。如果是10-10-12分页就是PDE和PTE共同决定。
  2. 不同的CPU这个表的大小不一样。
  3. 只要Cr3变了，TLB立马刷新，一核一套TLB。
  如果Cr3改了，TLB刷新重建高2G以上很浪费。所以PDE和PTE中有个G标志位，如果G位为1刷新TLB时将不会刷新PDE/PTE的G位为1的页，当TLB满了，根据统计信息将不常用的地址废弃，最近最常用的保留。
  TLB有不同的种类，用于不同的缓存目的，它在X86体系里的实际应用最早是从Intel的486CPU开始的，在X86体系的CPU里边，一般都设有如下4组TLB：
  第一组：缓存一般页表（4K字节页面）的指令页表缓存：Instruction-TLB
  第二组：缓存一般页表（4K字节页面）的数据页表缓存：Data-TLB
  第三组：缓存大尺寸页表（2M/4M字节页面）的指令页表缓存：Instruction-TLB
  第四组：缓存大尺寸页表（2M/4M字节页面）的数据页表缓存：Data-TLB

CPU缓存

  CPU缓存是位于CPU与物理内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。它可以做的很大，但不是TLB，它们有很大的不同。TLB存的是线性地址与物理地址的对应关系，CPU缓存存的是物理地址与内容对应关系。
  更多的细节请参考白皮书的Chapter 11 Memory Cache Control，本篇教程主要是针对内核安全层面，就不再赘述了。

PWT 与 PCD

  PWT全称为Page Write Through，PWT = 1时，写Cache的时候也要将数据写入内存中。
  PCD全称为Page Cache Disable，PCD = 1时，禁止某个页写入缓存，直接写内存。比如，做页表用的页，已经存储在TLB中了，可能不需要再缓存了。

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