Linux 中斷與異常處理：IDT、門描述符與向量分配全解析

中斷與異常是 CPU 響應非同步/同步事件的核心機制，Linux 核心通過中斷描述符表（IDT）統一管理 256 個向量，實現設備驅動、系統調用、錯誤處理等關鍵功能。

中斷與異常的本質區別

中斷向量與 IDT 分配策略

x86 架構支援 256 個中斷向量（0~255），每個向量佔用 IDT 中一個 8 字節的門描述符。Linux 分配如下：

• 0~31：CPU 預定義異常與 NMI（如 #DE 除零、#PF 缺頁、#GP 通用保護、#MC 機器檢查）。
• 32~47：可屏蔽外部中斷（IRQ 0~15，經 APIC 重映射），對應鍵盤、時鐘、網卡、磁碟等設備。
• 48~255：軟中斷與用戶定義。Linux 僅使用 0x80 (128) 實現舊版 int 0x80 系統調用入口；其餘保留或供 KVM、Xen 等虛擬化用途。

保護模式下的 IDT 與門描述符

實模式使用 4 字節的中斷向量表（IVT），保護模式擴展為 8 字節的 中斷描述符表（IDT），每項為 門描述符，包含段選擇子、偏移量、DPL（特權級）、類型碼等字段。門描述符三大類型：

1. 中斷門（類型碼 110B）：進入處理程序時自動清除 IF 位（屏蔽可屏蔽中斷），用於大多數硬體中斷 ISR。
2. 陷阱門（類型碼 111B）：不清除 IF，允許嵌套中斷，用於系統調用、調試斷點。
3. 系統門（Linux 特有）：DPL=3 的陷阱門，允許用戶態通過 int 0x80 進入核心，現代系統改用 syscall/sysret 或 sysenter/sysexit。

中斷處理流程

1. 硬體發出信號 → APIC → CPU 檢查 IF、當前特權級。
2. CPU 依向量查 IDT，取得門描述符，檢查 DPL、P 位。
3. 特權級轉換時切換棧（TSS 中的 SS0:ESP0），保存 EFLAGS、CS、EIP、錯誤碼（如有）。
4. 跳轉至 ISR 入口（entry_INTERRUPT），核心通用入口保存寄存器，調用 do_IRQ() → 具體驅動 handler。
5. 執行 iret 返回，恢復被打斷上下文。

現代核心採用 線程化中斷（IRQF_ONESHOT + request_threaded_irq），將耗時處理移至內核線程，降低中斷上下文延遲，提升實時性。