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Interrupts und Exceptions

Intel Prozessoren kennen drei Gruppen von Ereignissen, die einen Interrupt auslösen können:

1. Hardware-Interrupts, die durch externe Ereignisse (z.B. Peripheriegeräte) verursacht werden.
2. Software-Interrupts, die über den INT Befehl ausgelöst werden.
3. Exceptions (exception, englisch, Ausnahme), die der Prozessor selbst auslöst, wenn er bei der Ausführung eines Befehles einen Fehler feststellt.

Alle drei Interrupts basieren auf dem gleichen Mechanismus:

Wenn ein Interrupt auftritt, legt der Prozessor die Register CS:EIP und das aktuelle Flagregister auf den Stack. Anschließend führt er einen Sprung zu einer Interrupt-Behandlungsroutine aus. Die Adresse dieser Interruptroutine wird dabei einem Gate der Interrupt Deskriptor Tabelle (IDT) entnommen. Da der Prozessor maximal 256 Interrupt-Nummern kennt, kann die IDT maximal 256 Deskriptoren enthalten. Die Interrupt-Nummern 0 bis 31 hat Intel für den Prozessor selbst reserviert, die Nummern 32 bis 255 stehen dem Betriebssystem zur Verfügung. Abb. 2.12 stellt den Zusammenhang zwischen Interrupt-Nummern, der IDT und der GDT (bzw. der momentan aktiven LDT) dar.

1. Hardware-Interrupts (durch externe Ereignisse ausgelöst) lassen sich in zwei Gruppen einteilen, in maskierbare und nicht maskierbare Interrupts, sogenannte NMI's ("non maskable interrupt").
   
   Auf NMI's reagiert der Prozessor immer mit einer Routine, die mit dem Interrupt-Deskriptor 2 verbunden ist.
   Im Gegensatz zu maskierbaren Interrupts sind NMI's nicht vom Status des IF-Flags abhängig.
   
   Tritt ein maskierbarer Interrupt auf und ist das IF-Flag gesetzt, erwartet der Prozessor als nächstes die Interrupt-Nummer auf dem Datenbus und interpretiert sie als Selektor in der IDT. Die im Gate-Deskriptor festgelegte Privilegstufe wird bei Hardware-Interrupts nicht beachtet.

2. Software Interrupts werden durch den INT-Befehl ausgelöst, wobei die Interrupt-Nummer direkt im Befehl enthalten ist. Software Interrupts lassen sich nicht maskieren und sind nicht vom Status des IF-Flags abhängig. Im Gegensatz zu Hardware-Interrupts wird bei INT-Befehlen eine Prüfung der Privilegstufe vorgenommen. Um einen bestimmten Software-Interrupt ausführen zu können, muß die aktuelle Privilegstufe (CPL) mindestens gleich privilegiert sein, wie die im Interrupt-Gate festgehaltene Privilegstufe (DPL). Diese Überprüfung hat zur Folge, daß nicht alle Anwendungen alle verfügbaren Interrupts benutzen können.

3. Exceptions sind in drei Gruppen aufgeteilt (Vgl. Tabelle 2.4).

Zusätzlich zur Fehleradresse (CS:EIP) legt der Prozessor bei bestimmten Exceptions einen Fehlercode auf dem Stack ab. Dieser Fehlercode gestattet es dem jeweiligen Exception-Handler, eine genauere Fehleranalyse durchzuführen. Bei diesem Fehlercode handelt es sich um einen Selektor auf einen Deskriptor, der das Segment beschreibt, in dem der Fehler aufgetreten ist. Abb. 2.13 stellt den Aufbau des Exception-Fehlercodes dar.

Soll der Prozessor nach Ausführung einer Exception, bei der ein Fehlercode auf dem Stack abgelegt wurde, das unterbrochene Programm fortsetzen, so muß dieser Fehlercode vor (!) dem Rücksprung (mittels IRET) vom Stack entfernt werden. Tabelle 2.5 gibt einen Überblick über alle möglichen Exceptions der 80386 und 80486 Prozessoren.

Einige der in Tabelle 2.5 genannten Exceptions sollen im folgenden näher betrachtet werden.

Interrupt 3 wird von Debuggern verwendet, um Software-Haltepunkte festzulegen. Das besondere am Interrupt 3 ist die Codierung des INT 3 Befehls, der im Gegensatz zu allen anderen Interrupt-Befehlen der Form: INT n in nur einem Byte codiert wird (0CCh). Damit wird ein Debugger in die Lage versetzt, an jeder beliebigen Stelle des zu untersuchenden Programms einen Breakpoint zu setzen und die entsprechenden Ausgaben und Tests im entsprechenden Interrupt 3 Exception Handler durchzuführen.

Normalerweise behandelt der Prozessor Exceptions, die während (!) einer Exception-Behandlung auftreten, vorrangig. Ist das aufgrund der Schwere der Exception nicht möglich, wird Interrupt 8 ausgelöst. Tabelle 2.6 listet alle Exception-Kombinationen auf, die zu einem Doppelfehler führen.

Interrupt 13 wird bei Zugriffsverletzungen ausgelöst, die durch keine anderen Exceptions abgedeckt werden. Dazu gehören beispielsweise Speicherzugriffe auf schreibgeschützte Code- oder Datensegmente, Speicherzugiffe auf Segmente höherer Privilegstufe oder die Überschreitung der Segmentgrenzen.