从0写自己的操作系统（3）x86操作系统的中断和异常处理

创建GDT表

段界限
基地址
特殊的位（属性）

GDT是一个配置表，里面存储了有关存储访问相关的配置信息，也是整个x86-32位最核心的配置数据。在进入保护模式后，所以有关内存访问操作，都需要经过GDT，GDT中每项称为段描述符（ Segment descriptors）。其具体格式如下：

/*** GDT描述符*/
typedef struct _segment_desc_t {uint16_t limit15_0;uint16_t base15_0;uint8_t base23_16;uint16_t attr;uint8_t base31_24;
}segment_desc_t;

一个表项的大小是32字节

/*** 设置段描述符*/
void segment_desc_set(int selector, uint32_t base, uint32_t limit, uint16_t attr) {segment_desc_t * desc = gdt_table + (selector >> 3);// 如果界限比较长，将长度单位换成4KBif (limit > 0xfffff) {attr |= 0x8000;limit /= 0x1000;}desc->limit15_0 = limit & 0xffff;desc->base15_0 = base & 0xffff;desc->base23_16 = (base >> 16) & 0xff;desc->attr = attr | (((limit >> 16) & 0xf) << 8);desc->base31_24 = (base >> 24) & 0xff;
}

GDT表作用

中断（外部）

进入 32 位保护模式后，中断和异常机制必须重新配置，否则 CPU 收到中断或异常时将无法正确响应，通常会导致 Triple Fault（重启）或系统死机。

在保护模式下，CPU 不再使用实模式的中断向量表（0:0 开始的 0x400 字节），而是使用 IDT（中断描述符表），所以必须重新构建并加载 IDT，配置各个中断/异常的处理函数入口。

/*** 设置中断门描述符（interrupt gate)*/
void gate_desc_set(gate_desc_t * desc, uint16_t selector, uint32_t offset, uint16_t attr) {desc->offset15_0 = offset & 0xffff;desc->selector = selector;desc->attr = attr;desc->offset31_16 = (offset >> 16) & 0xffff;
}

在进入保护模式后，我初始化了 IDT 表，准备了 128 个表项。每个表项通过 gate_desc_set() 函数构造中断门，指向对应的异常处理函数地址。默认的处理程序为 exception_handler_unknown，但我为常见的 CPU 异常（如除0、页错误、非法指令等）注册了专门的处理函数。构建完成后，我通过 lidt 指令（内联汇编）将 IDT 加载进 IDTR 寄存器，使 CPU 可以在中断或异常发生时跳转到我的处理器入口。最后，我初始化了 PIC 控制器，重新映射 IRQ，确保中断不会和 CPU 异常冲突。

IDTR（Interrupt Descriptor Table Register）是什么

IDTR（Interrupt Descriptor Table Register）是中断描述符表寄存器，用于告诉 CPU：中断表（IDT）在哪里、有多大。

当中断或异常发生时，CPU 就会根据 IDTR 中保存的信息，在 IDT 中找到对应的入口跳转过去。

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✅ IDTR 的结构

IDTR 是一个 6 字节（48 位） 的寄存器，包含：

c
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struct {uint16_t limit;  // IDT 的大小（单位：字节）减 1uint32_t base;   // IDT 的基地址
} __attribute__((packed));

你在 C 中看到的结构大概是这样定义的（你项目中也有）：

c
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struct {uint16_t limit;       // 表长（最多支持 256 个 * 8 = 2048 字节）uint32_t base;        // 表的起始地址
} __attribute__((packed)) idt_info;

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✅ 怎么设置 IDTR？

你需要使用 lidt（Load IDT）指令：

c
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lidt(&idt_info);  // 加载 IDT 表地址和长度到 IDTR 寄存器

你代码里封装的是：

lidt((uint32_t)idt_table, sizeof(idt_table));

这个操作告诉 CPU：

“我的 IDT 表从这里开始，这么大，有 128 项，你之后收到任何中断，都从这个表里查地址。”

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✅ 当中断发生时，CPU 做了什么？

1. 读取当前 IDTR 寄存器
2. 找到中断号对应的 IDT 表项 idt_base + (int_no * 8)
3. 跳转到描述符指定的中断处理函数地址

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✅ 面试叙述建议

IDTR 是 CPU 内部的一个寄存器，保存中断描述符表（IDT）的地址和大小。当中断或异常发生时，CPU 会根据 IDTR 中保存的 IDT 位置去查找对应的中断处理函数入口地址。我们通过 lidt 指令设置 IDTR，一般是在进入保护模式后立即执行。没有正确设置 IDTR，中断一触发系统就会崩溃或者重启（Triple Fault）。

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✅ 补充小贴士

• 实模式使用 0x0000 的中断向量表（IVT）
• 保护模式必须用 IDT + IDTR
• 如果你忘记设置 IDTR，开中断（sti）后立马崩！

捕获异常

在进入 32 位保护模式后，必须重新配置中断系统。实模式的中断向量表失效，CPU 改用 IDT 机制来管理中断与异常。我需要构造一张新的 IDT 表，并通过 lidt 加载到 IDTR，确保 CPU 在发生异常（如除 0）或外部中断（如定时器）时能跳转到我定义的 handler。对于 PIC，我还需通过端口重映射 IRQ 避免与异常冲突，最终使用 sti 打开中断。整个过程是操作系统初始化的关键步骤，关乎系统稳定性和调试能力。

进入中断寄存器的保存

如何保存其他寄存器

iret 会将中断/异常进入时保存的 EIP、CS、EFLAGS（还有必要时的 SS 和 ESP）弹栈恢复到 CPU 寄存器中，其他的寄存器需要我们自己压栈出栈 保存

压栈 出栈 顺序相反


如何在C函数中获得这些寄存器参数？

如何定义这个结构体呢？

/*** 中断发生时相应的栈结构，暂时为无特权级发生的情况*/
typedef struct _exception_frame_t {// 结合压栈的过程，以及pusha指令的实际压入过程int gs, fs, es, ds;int edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax;int num;int error_code;int eip, cs, eflags;int esp3, ss3;
}exception_frame_t;

然后将gs压入esp中

在 start.s 或 isr.S 中使用 push、pusha 这些指令把寄存器压入栈后，为什么可以直接 call 一个 C 函数，并让它自动用 exception_frame_t* frame 解析这些值？

因为你压栈的顺序 精确匹配了 exception_frame_t 的字段布局，所以在 C 函数中，只要接收一个 exception_frame_t* 指针，它就能直接按字段顺序解析栈上的内容。

我在汇编中断入口函数中，通过 pusha 和手动 push 指令，把 CPU 寄存器、段寄存器、异常号、错误码等内容按照结构体字段顺序压入栈。这样在 C 中只要定义一个匹配的 exception_frame_t 结构体，就可以直接通过指针访问中断上下文信息。这种技巧允许我用 C 来编写中断处理逻辑，简化调试和维护。

如何使用宏复用异常处理代码，以及 exception_handler_\name 为什么能自动处理结构体？

项目中的 start.S 文件里，已经非常典型地用 GAS 宏（.macro）机制 封装了异常处理逻辑，实现了高复用，非常专业。我们来深入讲清楚：

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✅ 宏定义作用回顾（来自你代码）

.macro exception_handler name num with_error_code...
exception_handler_\name:.if \with_error_code == 0push $0.endifpush $\num...call do_handler_\name...iret
.endm

这个宏自动生成一套完整的中断处理入口，包括：

• 是否压入 error_code
• 压入中断号（num）
• 保存/恢复寄存器（pushal/popal）
• 调用 C 函数处理器
• 最后用 iret 返回

每个中断号的处理函数只需要一句：

asm
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exception_handler page_fault, 14, 1

就自动生成：

asm
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.global exception_handler_page_fault
exception_handler_page_fault:push $14         ; 中断号...              ; error_code、pushal、push段寄存器call do_handler_page_fault...iret

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✅ 它为什么能匹配 C 的结构体？

这是因为你在汇编里构造的栈布局（寄存器压入顺序）与 C 端定义的 exception_frame_t 成员顺序严格一致：

typedef struct _exception_frame_t {int gs, fs, es, ds;int edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax;int num;int error_code;int eip, cs, eflags;int esp3, ss3;
} exception_frame_t;

只要你在汇编里 按顺序 push，然后调用 call handler 前执行：

asm
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push %esp  ; 传入当前栈指针 → C 端接收为 exception_frame_t* frame
call do_handler_\name

就能在 C 中解析出 frame->gs、frame->eax、frame->num、frame->eip 等。

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✅ 好处总结（面试重点）

避免手写大量重复中断入口函数保证所有中断压栈一致性，防止出错能统一对接 C 的结构体，方便调试error_code 有无自动处理，逻辑一致与 irq_install() 和 IDT 注册机制高度契合

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✅ 面试叙述建议

为了避免重复书写多个中断入口函数，我使用 GAS 宏定义（.macro）封装了中断门的处理模板。每个异常通过 exception_handler name, num, with_error_code 自动生成中断入口函数，包括 error_code 判断、寄存器压栈、C 函数调用和 iret 返回。这样我在汇编中构造了与 exception_frame_t 完全匹配的栈结构，使得 C 函数可以直接访问中断上下文信息，大大提升了中断处理的灵活性和可维护性。

iret的作用

iret（或 iretd） 的作用就是让 CPU 从中断或异常中“恢复执行”，返回到中断/异常发生前的位置继续执行。

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iret 会将中断/异常进入时保存的 EIP、CS、EFLAGS（还有必要时的 SS 和 ESP）弹栈恢复到 CPU 寄存器中，实现真正意义上的返回。

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🧠 iret 执行流程图

假设这是中断发生时，CPU 自动压栈的内容（保护模式下）：

text
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栈结构（从高到低）：
┌────────────┐ ← ESP before iret
│ SS (if 从低特权级返回) │ ← 特权级变化才会压
│ ESP                       │
│ EFLAGS                    │
│ CS                        │
│ EIP                       │ ← 中断发生时下一条指令地址
└────────────┘

当执行：

asm
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iret   ; 或 32 位下是 iretd

时，CPU 会按顺序弹出：

css
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→ EIP ← 跳转目标（异常/中断发生前的下一条指令地址）
→ CS  ← 段选择子（恢复原执行上下文）
→ EFLAGS ← 恢复标志寄存器
[→ ESP, SS ← 如果从高特权级切换回来（如中断进入用户态）]

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✅ 场景：异常返回（你问的）

举例：

c
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int a = 1 / 0;  // 除 0 异常 → ISR

异常处理函数执行完后执行 iret：

asm
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iret  → 自动返回到 `/` 语句之后

此时恢复的就是：

• EIP: 除法之后的地址
• CS: 原本执行代码的段
• EFLAGS: 原中断标志位等

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✅ 面试时你可以这样说：

当 CPU 响应中断或异常时，会自动把 EIP、CS 和 EFLAGS 压栈，如果是从用户态进入内核，还会压栈 SS 和 ESP。处理完成后，通过执行 iret 指令，CPU 会依次恢复这些寄存器，从而准确返回到中断或异常发生的位置，继续原来的程序执行。

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🔍 延伸（bonus）

返回场景	栈中恢复内容	是否切换栈
内核 → 内核中断返回	EIP, CS, EFLAGS	否
用户态 → 内核中断返回	EIP, CS, EFLAGS, ESP, SS	是
使用 syscall → iret	也依赖中断门 DPL = 3，iret 返回用户态	是

异常/中断整体流程

irq_install(num, handler) 会把指定的 中断处理函数地址 填入 IDT 表 中的 中断门描述符，而 CPU 收到中断时，会根据 IDT → 跳转到你在汇编中生成的 exception_handler_xxx，最后 call 到你注册的 C 处理函数。

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✅ 整体联动流程图（由外到内）

↓ 外设中断 / CPU 异常↓[ CPU 收到中断 N ]↓[ CPU 查 IDTR → 定位 IDT[N] ]↓[ IDT[N] 中断门 → offset = handler ]↓
[ 汇编中的 exception_handler_xxx 执行（宏展开） ]↓push error_code? + push num + pushal ...↓push espcall do_handler_xxx (C 函数)↓
[ 你在 irq_install() 注册的处理函数 被执行 ]

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✅ 联动关键点详解

① irq_install()：注册处理函数

在 irq.c 中定义：

c
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int irq_install(int irq_num, irq_handler_t handler) {if (irq_num >= IDT_TABLE_NR) return -1;gate_desc_set(idt_table + irq_num, KERNEL_SELECTOR_CS, (uint32_t) handler,GATE_P_PRESENT | GATE_DPL0 | GATE_TYPE_IDT);return 0;
}

• 把 handler 地址写入 idt_table[irq_num]
• handler 就是宏生成的汇编 exception_handler_xxx

② 中断门结构 gate_desc_t

c
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typedef struct {uint16_t offset_low;uint16_t selector;uint8_t  zero;uint8_t  type_attr;uint16_t offset_high;
} gate_desc_t;

这一结构由 gate_desc_set() 设置。

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③ 宏定义自动生成 handler 汇编函数

exception_handler general_protection, 13, 1
→ 生成汇编函数：exception_handler_general_protection:push $error_codepush $13pushapush段寄存器push %espcall do_handler_general_protection...iret

④ do_handler_xxx 函数就是你项目中写的 C 函数

如 irq.c：

void do_handler_general_protection(exception_frame_t *frame) {log_printf("GP Exception! CS=%x, EIP=%x\n", frame->cs, frame->eip);...
}

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✅ 举个真实例子：除 0 异常

假设程序执行：

c
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int a = 1 / 0;

发生异常：

1. CPU 触发中断号 0（除 0）
2. 从 IDT[0] 查到：handler = exception_handler_divider
3. 汇编执行宏生成的中断入口，压入寄存器、error_code、num
4. call do_handler_divider(frame)
5. 打印错误信息，iret 返回

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✅ 面试叙述模板（推荐说法）

在我的中断系统中，irq_install(n, handler) 会将中断处理函数地址写入 IDT 的第 n 项。中断发生时，CPU 根据 IDTR 定位 IDT 表，从第 n 项中读取跳转地址，进入宏定义生成的中断汇编入口函数。在那里我构造了与 exception_frame_t 对应的栈结构，并调用 do_handler_xxx(frame) 进行中断处理，最后通过 iret 返回到中断前的位置，实现中断流程闭环。

中断（外部）

定时器

硬件        →    PIC            →   CPU             →   处理函数
IRQ0 定时器 → 映射中断号 0x20 → 触发 IDT[32]   → do_handler_timer()
IRQ1 键盘   → 映射中断号 0x21 → 触发 IDT[33]   → do_handler_kbd()
IRQ14 硬盘  → 映射中断号 0x2E → 触发 IDT[46]   → do_handler_ide()

一、异常（Exception）和中断（Interrupt）是两类不同来源

类型	来源	中断号范围	举例
异常	CPU 内部触发	0~31	除 0、页错误、GPF等
中断	外设触发（IRQ）	原本也是 015 → 重映射后变成 3247	定时器、键盘、网卡

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✅ 二、异常中断（0~31）怎么来的？

这些是 CPU 硬编码好的，不是由 PIC 发出的，也不走 IRQ 总线，而是：

• 当执行指令过程中发生非法情况
• 比如：
  • 除以 0 → #DE（中断号 0）
  • 页错误 → #PF（中断号 14）
  • 通用保护错误 → #GP（中断号 13）

此时，CPU 自动触发中断号 0~31，去查 IDT[0~31]，跳转到对应异常处理器。

c
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irq_install(0, exception_handler_divider);  // 除0
irq_install(14, exception_handler_page_fault); // 页错误

这些你注册在 IDT[0~31] 的函数，是给 CPU 异常准备的。

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✅ 三、IRQ（硬件中断）为什么要重映射到 32～47？

原始 IRQ0~IRQ15 的中断号是 0x08～0x0F（主片）、0x70～0x77（从片），但这会和上面的异常号冲突！

💥 比如：

• IRQ0（定时器）默认映射到中断号 8 → 与 Double Fault 冲突 → Triple Fault 崩溃

所以必须在 init_pic() 中重映射：

c
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主 PIC 起始中断号 = 0x20  → IRQ0 ~ IRQ7 = 32 ~ 39
从 PIC 起始中断号 = 0x28  → IRQ8 ~ IRQ15 = 40 ~ 47

这就是你设置的：

c
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outb(PIC0_ICW2, 0x20);  // IRQ0 映射为中断号 0x20
outb(PIC1_ICW2, 0x28);  // IRQ8 映射为中断号 0x28

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✅ 四、触发来源总结

类型	中断号范围	谁触发的？	IDT 索引	用来干啥
异常	0 ~ 31	CPU 内部	IDT[0~31]	除 0，页错，非法操作等
IRQ	32 ~ 47	外设（经 PIC）	IDT[32~47]	定时器、键盘、IDE等

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✅ 五、怎么判断中断来源？

你可以在通用中断入口 c_entry(exception_frame_t *frame) 中根据 frame->num 判断：

c
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if (frame->num < 32) {// 是异常
} else if (frame->num >= 32 && frame->num < 48) {// 是 IRQ
}

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✅ 面试回答建议（标准模板）

异常由 CPU 内部触发，固定占用中断号 0～31，比如除 0、页错误、非法指令等；而硬件中断通过 PIC 发出，原始中断号也在 0～15，但为了避免冲突，我在 init_pic() 中将它们重映射到 32～47。这样在 IDT 表中，异常和 IRQ 各自占据不同范围，可以同时注册、同时处理。中断触发后，CPU 会根据中断号查 IDT 表项，跳转到我的汇编入口函数，最终调用 C 的中断处理函数实现调度、响应或日志等逻辑。

如何给面试官讲解中断和异常

讲清楚你设计的中断与异常机制，是面试官判断你是否真正理解操作系统保护模式、硬件协作、中断向量与栈机制的核心依据。

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✅ 面试时讲中断/异常系统的目标

你要让面试官听完之后知道：

1. 你能正确 初始化 IDT 和 配置中断门
2. 你能处理 CPU 异常 + IRQ 外部中断
3. 你理解 中断/异常发生的堆栈切换和返回（iret）
4. 你支持 用户态/内核态的隔离与安全

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✅ 讲解结构

① 总体思路概括

在此操作系统中，我自定义了中断/异常处理机制，不依赖 BIOS 或 GRUB 提供的中断表。进入保护模式后，我会构建自己的 IDT 表，并使用 lidt 加载到 IDTR 中。整个中断系统支持 0～255 个向量，其中前 32 个保留处理 CPU 异常，后面用于硬件中断和系统调用。

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② 此项目如何构建 IDT 表

预先构建了一个 128 项的 IDT 表，每项 8 字节。中断门的设置通过封装的 gate_desc_set() 函数完成，指定：

• handler 的地址（如 do_handler_page_fault）

• 段选择子为 KERNEL_SELECTOR_CS

• 类型字段为 0x8E 表示中断门、DPL=0、P=1

  初始化时我会将所有项先指向默认处理器，再通过 irq_install() 为特定中断设置实际的处理函数。

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③ PIC 初始化和 IRQ 映射

在初始化阶段使用编程 I/O 操作重新配置了 8259A PIC，把 IRQ0IRQ15 从默认的 0x080x0F 映射到 0x20~0x2F，避免和 CPU 异常冲突。之后我为定时器（IRQ0）和键盘（IRQ1）等设置了具体的中断处理函数，并支持中断屏蔽、EOI、开关控制等操作。

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④ 异常处理函数设计（通用框架）

所有中断处理函数都使用统一的 exception_frame_t 结构作为参数，可以查看当时的寄存器和错误码。我为每个异常设置了具体说明，比如页错误会通过 CR2 获取地址、段错误会解析 error code。这些信息通过 log 输出，方便调试。

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⑤ 中断返回：iret & 栈切换机制

当中断触发时，CPU 会自动压栈 EIP、CS、EFLAGS，如果从用户态进入内核还会额外压 SS 和 ESP。中断处理函数结束后我使用 iret 指令将这些值依次恢复，确保系统能够准确返回到中断前的执行位置。这也支持从内核态正确返回到用户态。

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⑥ 用户态中断支持（进阶可选）

支持设置用户态 DPL=3 的中断门，比如 syscall 入口。这样用户程序可以通过 int 0x80 等方式触发系统调用，由内核处理再通过 iret 返回。

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✅ 面试官常见追问 & 应对

追问	建议回应方式
为什么中断门要用 KERNEL_SELECTOR_CS？	因为中断发生时会远跳转，需要进入代码段。
异常如何返回？	通过 iret 恢复 EIP/CS/EFLAGS，返回中断前位置
如何保证用户态不能直接触发内核中断？	通过 DPL 限制中断门访问权限，只允许 CPL ≤ DPL
你怎么处理页错误？	我会读取 CR2 查地址，通过 error_code 分析读写/用户态错误等
你中断中是否支持嵌套？是否有重入保护？	我支持手动屏蔽中断，防止栈破坏，也有全局 cli/sti 控制逻辑

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