任務切換的方法——《x86匯編語言：從實模式到保護模式》讀書筆記37

1. 中斷門和陷阱門

在實模式下，內存最低端的1M是中斷向量表，保存著256個中斷處理過程的段地址和偏移。當中斷發生時，處理器把中斷號乘以4，作為索引訪問中斷向量表，從相應的位置取出中斷處理過程的段地址和偏移地址，并轉移到哪里執行。具體過程可以參考我的博文
8086中斷系統——《x86匯編語言：從實模式到保護模式》讀書筆記04

在保護模式下，中斷向量表不再使用，取而代之的是中斷描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）。不要害怕，它和GDT、LDT是一樣的，用于保存描述符。唯一不同的地方是，它保存的是門描述符，包括中斷門、陷阱門和任務門。

中斷門和陷阱門的格式如下圖：

當中斷發生時，處理器用中斷號乘以8（因為每個描述符占8個字節），作為索引訪問IDT，找到某個門描述符。如果是中斷門或陷阱門，那么就取出門描述符中的段選擇子和段內偏移量，然后轉移到相應的位置去執行。這個過程可以用下圖說明：

中斷門和陷阱門允許在任務內實施中斷處理，轉到全局空間執行一些系統級的管理工作。本質上，是任務內的控制轉移行為。

2. 通過中斷執行任務切換

但是，如果訪問IDT時遇到的是任務門，那么就會引發任務切換。即，要中斷當前任務的執行并保護現場，然后后切換到另一個任務去執行。

任務門的格式如下圖：

任務門描述符中最重要的字段是段選擇子，它應該指向新任務的TSS；

P位指示該門是否有效，當P=0時，不允許通過此門實施任務切換；

DPL是任務門描述符的特權級，但是對于因中斷而發起的任務切換不起作用。

注意：任務門描述符可以安裝在IDT、GDT和LDT中。

通過中斷執行任務切換的過程，可以參考《Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 3:System Programming》的TASK SWITCHING這一節。
我把其中的關鍵點總結如下（序號不代表發生的先后順序）：
1. 保存當前任務狀態到它的TSS（由TR寄存器指向）中；
2. 處理器訪問新任務的TSS，從中恢復現場；
3. TR寄存器指向新任務的TSS；
4. 把舊任務的TSS選擇子填寫到新任務TSS中的“任務鏈接域”，將新任務EFLAGS寄存器的NT位置1，同時還要把新任務TSS描述符的B位置1，表示該任務狀態為忙。（舊任務的TSS的B位不變，仍然為1.）

3. iret指令

當中斷發生時，可以執行常規的中斷處理過程，也可以執行任務切換。盡管性質不同，但是它們都要使用iret指令返回。前者是返回到同一任務內的斷點處；后者是返回到上一層任務。你也許會問：處理器如何區分這兩種截然不同的返回類型呢？

如下圖所示，32位的EFLAGS寄存器有一個NT位（bit14）—— 嵌套任務標志（Nested Task Flag）.

每個任務的TSS中都有一個任務鏈接域，其內容可以是前一個任務的TSS描述符的選擇子。如果當前任務EFLAGS寄存器的NT位是1，則表示當前正在執行的任務嵌套于其他任務內，并且能夠通過TSS任務鏈接域的指針返回到前一個任務。

可以使用iret指令從當前任務返回（切換）到前一個任務，前提是當前任務的NT位必須是1.無論何時處理器遇到iret指令，它都要檢查NT位，如果是0，表明是一般中斷過程，則按照一般的中斷返回處理；如果是1，則表明當前任務之所以能夠執行，是因為它打斷了別的任務。因此，應當返回到原先被中斷的任務繼續執行，并且由處理器固件把當前任務EFLAGS的NT位改成0，并把TSS描述符的B位改成0.在保存了當前任務的狀態后，接著用被中斷的任務的TSS恢復現場。

4. 通過call或者jmp指令發起任務切換

在這兩種情況下，call指令或者jmp指令的操作數是任務的TSS描述符選擇子或者任務門。例如：

call 0x10:0x00000000jmp 0x10:0x00000000

當處理器執行這兩條指令時，首先用選擇子索引GDT（對于本例，是GDT），分析得到的描述符類型
1. 對于代碼段描述符，就按照普通的段間轉移執行；
2. 對于調用門，按照調用門的規則執行；
3. 對于TSS描述符或者任務門（下圖中粉色部分），則執行任務切換。此時，指令中給出的32位偏移量被忽略，因為在執行任務切換時，所有處理器的狀態都可以從TSS中獲得。

使用CALL指令發起的任務切換類似于因中斷發起的任務切換。也就是說，由CALL指令發起的任務切換是“嵌套”的。如下圖所示：

5. 任務是不可重入的

執行任務切換時，新任務的狀態不能為忙。處理器是通過TSS描述符的B位來檢測是否重入的。由中斷、iret、call和jmp指令發起任務切換時，處理器固件會檢測新任務TSS描述符的B位，如果為1，則不允許執行這樣的切換。

6. 總結

處理器可以通過以下四種方法實施任務切換：
1. call指令或者jmp指令的操作數是GDT內的某個TSS描述符；
2. call指令或者jmp指令的操作數是GDT或者LDT內某個任務門描述符；
3. 一個異常或者中斷發生時，中斷號指向IDT內的某個任務門；
4. 在EFLAGS寄存器的NT位置位的情況下，當前任務執行了一個iret指令。

最后，把書上表格15-1再繪制一下，加深印象。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的任务切换的方法——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记37的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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