《自己动手写操作系统》第三章 pmtest9源码解析——中断处理程序

时间：2022-11-08 08:49:34
本节，我们将学习现代操作系统的一个重要的特点——中断处理机制。同样，中断处理也是软硬件协同完成的，其中硬件部分：8259A负责可编程中断控制器，通过读写端口，实现中断信号和中断号的绑定等工作；CPU通过门描述符与中断向量表来实现中断服务程序。最后，访问一个中断和访问一个门的过程是类似的，读者可以进行相应比较。本文，主要通过pmtest9讲解中断程序的编写。

中断门的实现包括如下内容：设置8259A，进行中断硬件信息的读写；建立IDT；实现一个中断。

1.预览
保护模式下，中断机制发生了很大的变化。中断向量表被IDT所取代，实模式下能够使用的BIOS中断保护模式下已经不能使用了。IDT，中断描述符表，里面存放着中断、陷阱、任务门，将每一个中断向量和描述符表对应起来。中断门和陷阱门的描述符如下：
《自己动手写操作系统》第三章 pmtest9源码解析——中断处理程序
从中断向量到中断处理程序的对应过程：
《自己动手写操作系统》第三章 pmtest9源码解析——中断处理程序
调用门和中断的处理机制类似，不同的是，前者用call指令，后者用int 指令。另外，linux中没有用到任务门，所以我们不再此做过多讲解。
2.中断和异常机制
两个基本问题：处理器可以相应何种类型的中断？收到中断如何进行处理？
保护模式下的中断和异常介绍可以参考这里：
保护模式下的异常和中断
 
2.1对于异常
注意FAULT、TRAP、ABORT的区别和联系。
 
2.2对于中断
外部中断需要建立中断和向量号之间的联系。外部中断分为不可屏蔽中断和可以屏蔽中断，分别由CPU的NMI和INTR接收。结构如下图：

可屏蔽中断和CPU的关系是通过设置可编程中断控制器实现的。那么如何将中断请求与中断向量对应起来呢？BIOS在初始化的时候，
IR0～IR7被设置为对应向量08h～0fh，而通过表，我们知道保护模式下的向量号08h～0fh已经被占用，我们只能从新设置8259A
，这可以通过向特定的端口写入ICW（Initialzation Command Word）来实现的。
 
3.编程操作8259A




3.1什么是端口

端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端口分别称为数据端口、控制端口和状态端口。

电脑运行的系统程序，其实就像一个闭合的圆圈，但是电脑是为人服务的，他需要接受一些指令，并且要按照指令调整系统功能来工作，于是系统程序设计者，就把这个圆圈截成好多段，这些线段接口就叫端口（通俗讲是断口，就是中断），系统运行到这些端口时，一看端口是否打开或关闭，如果关闭，就是绳子接通了，系统往下运行，如果端口是打开的，系统就得到命令，有外部数据输入，接受外部数据并执行。

其中，主8259A和从8259A对应的端口地址是20h/21h和A0h/A1h。


3.2ICW的格式与意义

相关代码：
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
Init8259A:
    mov al, 011h
    out 020h, al    ; 主8259, ICW1.
    call    io_delay

    out 0A0h, al    ; 从8259, ICW1.
    call    io_delay

    mov al, 020h    ; IRQ0 对应中断向量 0x20
    out 021h, al    ; 主8259, ICW2.
    call    io_delay

    mov al, 028h    ; IRQ8 对应中断向量 0x28
    out 0A1h, al    ; 从8259, ICW2.
    call    io_delay

    mov al, 004h    ; IR2 对应从8259
    out 021h, al    ; 主8259, ICW3.
    call    io_delay

    mov al, 002h    ; 对应主8259的 IR2
    out 0A1h, al    ; 从8259, ICW3.
    call    io_delay

    mov al, 001h
    out 021h, al    ; 主8259, ICW4.
    call    io_delay

    out 0A1h, al    ; 从8259, ICW4.
    call    io_delay
  mov al, 11111110b   ; 仅仅开启定时器中断
    ;mov    al, 11111111b   ; 屏蔽主8259所有中断
    out 021h, al    ; 主8259, OCW1.
    call    io_delay

    mov al, 11111111b   ; 屏蔽从8259所有中断
    out 0A1h, al    ; 从8259, OCW1.
    call    io_delay

    ret
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------

上述代码包括两部分：中断向量的设置部分+中断屏蔽的设置部分。其中，屏蔽的设置部分是通过OCW来完成的。OCW：是operation Control Word，OCW1用于设置屏蔽信息，OCW2用于发送EOI信号（end of int），表示中断处理完成，可以接受下一个中断了。OCW的设置是通过21h和A1h实现的，结构意义如下：


 4.建立IDT

这一步和设置GDT类；IDT初始化以后，无法从保护模式回到实模式，因为IDTR和8259A的内容已经被改变了。注意观察一下，IDTR前后的变化。
 
5.时钟中断实验
这里，我们将打开时钟中断IRQ0.修改初始化8259A的代码，使能IRQ0；设定IDT；绑定中断处理函数。开启时钟中断：    mov al, 11111110b   ; 仅仅开启定时器中断
设定IDT：
; IDT
[SECTION .idt]
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_IDT:
; 门                                目标选择子,            偏移, DCount, 属性
%rep 32
            Gate    SelectorCode32, SpuriousHandler,      0, DA_386IGate
%endrep
.020h:          Gate    SelectorCode32,    ClockHandler,      0, DA_386IGate
%rep 95
            Gate    SelectorCode32, SpuriousHandler,      0, DA_386IGate
%endrep
.080h:          Gate    SelectorCode32,  UserIntHandler,      0, DA_386IGate

IdtLen      equ $ - LABEL_IDT
IdtPtr      dw  IdtLen - 1  ; 段界限
        dd  0       ; 基地址
; END of [SECTION .idt]

绑定中断处理函数：
; int handler ---------------------------------------------------------------
_ClockHandler:
ClockHandler    equ _ClockHandler - $$
    inc byte [gs:((80 * 0 + 70) * 2)]   ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。
    mov al, 20h
    out 20h, al             ; 发送 EOI
    iretd
绑定：
    mov al, 020h    ; IRQ0 对应中断向量 0x20    out 021h, al    ; 主8259, ICW2.    call    io_delay

开中断：
 int 080h    xchg    bx,bx    sti    jmp $ 



6.其他
中断门和调用门相比，需要入栈的还有Eflags（和error code），堆栈切换情况如下（可能有特权级的切换）：从中断或者异常返回要用iretd，和ret相比，它会改变EFLAGS。另外iretd执行的时候，error code并不会自动从堆栈弹出，需要手动清除。中断门和陷阱门的区别在于陷阱门产生的中断不会改变IF.
 

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