当前位置：首页 > news >正文

Day06 分割编译与中断处理

news 来源：原创 2025/9/6 21:17:17

文章目录

- - 1. 例程harib03c（c源文件分割并整理makefile文件）
  - 2. 例程harib03c（用于描述段的信息）
  - 3. 例程harib03d（初始化PIC）
  - 4. 例程harib03e（中断处理程序）

1. 例程harib03c（c源文件分割并整理makefile文件）

将源文件分割的优缺点：
在这里插入图片描述
将描述屏幕的函数放置在graphic.c文件中；将GDT，IDT相关的函数放置在dsctbl.c文件中；其他的暂时保留在bootpack.c中。
与之对应，在Makefile中应该做出修改：

graphic.gas : graphic.c Makefile$(CC1) -o graphic.gas graphic.cgraphic.nas : graphic.gas Makefile$(GAS2NASK) graphic.gas graphic.nasgraphic.obj : graphic.nas Makefile$(NASK) graphic.nas graphic.obj graphic.lstdsctbl.gas : dsctbl.c Makefile$(CC1) -o dsctbl.gas dsctbl.cdsctbl.nas : dsctbl.gas Makefile$(GAS2NASK) dsctbl.gas dsctbl.nasdsctbl.obj : dsctbl.nas Makefile$(NASK) dsctbl.nas dsctbl.obj dsctbl.lst

Makefile中存在一些特殊符号，可以合并重复代码，因此以上内容可以写成：

%.gas : %.c Makefile$(CC1) -o $*.gas $*.c%.nas : %.gas Makefile$(GAS2NASK) $*.gas $*.nas%.obj : %.nas Makefile$(NASK) $*.nas $*.obj $*.lst

暂时将所有函数，宏定义和结构体的声明都归档在一个bootpack.h的头文件中。

2. 例程harib03c（用于描述段的信息）

详细描述一下初始化时用到的load_gdtr和load_idtr函数，它定义在naskfunc.nas文件中：

# naskfunc.nas
_load_gdtr:		; void load_gdtr(int limit, int addr);MOV		AX,[ESP+4]		; limitMOV		[ESP+6],AXLGDT	[ESP+6]RET
_load_idtr:		; void load_idtr(int limit, int addr);MOV		AX,[ESP+4]		; limitMOV		[ESP+6],AXLIDT	[ESP+6]RET

这个函数用于将段上限（limit）和地址赋值给GDTR寄存器（和IDTR寄存器），该寄存器的低16bits（2字节）存放段上限，高32bits（4字节）存放地址。
还有一个c语言函数，位于dsctbl.c文件的set_segmdesc函数：

void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar)
{if (limit > 0xfffff) {ar |= 0x8000; /* G_bit = 1 */limit /= 0x1000;}sd->limit_low    = limit & 0xffff;sd->base_low     = base & 0xffff;sd->base_mid     = (base >> 16) & 0xff;sd->access_right = ar & 0xff;sd->limit_high   = ((limit >> 16) & 0x0f) | ((ar >> 8) & 0xf0);sd->base_high    = (base >> 24) & 0xff;return;
}

这个函数是按照CPU的规格要求，将段的信息归结成8个字节写入内存的，这8个字节主要内容有，我们使用struct SEGMENT_DESCRIPTOR结构体描述这些信息：

段的大小
段的起始地址
段的管理属性（禁止写入，禁止执行，系统专用等）

struct SEGMENT_DESCRIPTOR {short limit_low, base_low;char base_mid, access_right;char limit_high, base_high;
};

段的地址称为基址，使用变量base表示。在结构体中，将base分为三段，low（2字节），mid（1字节），high（1字节）。之所以将基址分为三个字段分别记录，主要是为了兼容80286时代的程序。也就是这样的操作可以使80286的程序可以无须修改就运行在386的CPU上。
段的大小也称为上限，段的上限是4GB字节，需要使用一个32bits的数字表示。再加上基址的32bits，直接占用了8字节，就没办法放置段的管理属性了。因此段上限被设置为20bits，即1MB大小，并且在段的属性里设置一个Gbit的标志位。当Gbit标志位为1时，limit的单位被解释为页（page，1页为4KB），否则是字节（byte）。这样以来，4KB*1MB=4GB，就可以完整表示段的大小。20bits的段上限写在limit_low和limit_high字段里，在limit_high字段的高4bits存放段属性。
段属性也称为段的访问权限，使用access_right字段或ar表示。12bits段属性的高4bits放在limit_high字段的高4bits中。这4bits被称为扩展的段属性，因为扩展的段属性在80286时代还不存在，到386时代才开始启用。这4bits是“GD00”的模式，G就是所说的Gbit标志位，M表示段的模式，D为1表示32位模式，D为0表示16位模式（主要用于80286程序）。
ar的低8bits从80286就已经开始有了，简单几个常用的：
在这里插入图片描述
在32位模式下，CPU有系统模式（ring0）和应用模式（ring3）之分，操作系统等作为“管理者”的程序和应用程序等作为“被管理者”的程序，运行时的模式不同。比如，如果在应用模式下，试图执行LGDT等指令的话，CPU对该指令不予执行，并上报操作系统“应用程序存在一个危险的行为”；如果应用程序想要使用系统专用的段时，CPU也会停止执行，并认为应用程序可能企图盗取操作系统信息或破坏操作系统。
CPU到底处于系统模式还是应用模式，取决于执行中的应用程序是位于访问权的0x9a的段还是0xfa的段。

3. 例程harib03d（初始化PIC）

PIC（programmable interrupt controller，可编程中断控制器）。为了解决一个CPU只能处理一个中断的限制，PIC是将8个中断信号集合成一个中断信号的装置。
一个CPU连接多个PIC也是常见的设计。与CPU直接相连的PIC称为主PIC（master），与PIC相连的PIC称为从PIC（slave），图中masterPIC负责0 ~ 7号中断，slavePIC负责8 ~ 15号中断。这种属于硬件连接，软件无法改变。
在这里插入图片描述

// 位于int.c文件
void init_pic(void)
/* PIC的初始化 */
{io_out8(PIC0_IMR,  0xff  ); /* 禁止所有中断 */io_out8(PIC1_IMR,  0xff  ); /* 禁止所有中断 */io_out8(PIC0_ICW1, 0x11  ); /* 边沿触发模式 */io_out8(PIC0_ICW2, 0x20  ); /* IRQ0-7由AINT20-27接收 */io_out8(PIC0_ICW3, 1 << 2); /* PIC1由IRQ2连接 */io_out8(PIC0_ICW4, 0x01  ); /* 无缓冲区模式 */io_out8(PIC1_ICW1, 0x11  ); /* 边沿触发模式 */io_out8(PIC1_ICW2, 0x28  ); /* IRQ8-15由INT28-2f接收 */io_out8(PIC1_ICW3, 2     ); /* PIC1由IRQ2连接 */io_out8(PIC1_ICW4, 0x01  ); /* 无缓冲区模式 */io_out8(PIC0_IMR,  0xfb  ); /* 11111011 PIC1以外的全部禁止 */io_out8(PIC1_IMR,  0xff  ); /* 11111111 禁止所有中断 */return;
}

从CPU角度来说，PIC属于外设，CPU使用OUT指令进行操作。程序中的PIC0代表主PIC，PIC1代表从PIC。PIC中有很多寄存器，使用端口号码进行区别。
PIC的寄存器都是8位寄存器，IMR是“interrupt mask register”（中断屏蔽寄存器），8位分别对应8路IRQ（interrupt request，中断请求）信号，如果IMR的某一个bit为1，则这一路IRQ信号被屏蔽，PIC就忽视这一路信号。这是因为，正在对中断设定进行更改时，如果再接受别的中断会引起混乱，为了防止这种情况发生，就必须屏蔽中断。如果某个IRQ没有连接任何设备，静电干扰也可能引起反应，导致操作系统紊乱，所以也需要屏蔽这一类干扰。
ICW，“initial control word”，初始化控制数据，（这里的word与16bits没有任何关系）。共有4个，分别编号为1 ~ 4，共有4字节的数据。ICW1和ICW4与PIC主板配线方式和中断信号的电气特性有关，无需过多关注。ICW3是有关“主从连接”的设定，对master而言，第几号IRQ与PIC相连是用8bits来设定的，如果把这些bit全部都置为1，那么master就能驱动8个slave，但是当前的电脑一般设为0000 0100。对slave而言，该slave与master的第几号相连，使用3bits来设定。因为硬件已经无法更改，所以只能维持当前。
因此不同的操作系统在软件层面只能通过设定IWC2，决定IRQ以哪一号中断通知CPU。

当中断发生后，如果CPU可以受理这个中断，CPU就会命令PIC发送过来两个字节的数据，为0xcd 0x??。在CPU看来这两个数据，与从内存中读进来的是一样的，可以同样执行，这恰恰就是把数据当中程序执行的情况。其中，0xcd就是调用BIOS时使用的INT指令，例如程序中如果写INT 0x10就会被翻译为0xcd 0x10。所以此时可以认为CPU上了PIC的当，按照PIC所期望的中断号执行了INT指令。

中断号0x00 ~ 0x1f的作用是，当应用程序企图对操作系统做坏事时，CPU内部会自动产生这些中断号，用于保护操作系统。因此，我们本次配置的是，使用0x20 ~ 0x2f中断号接收IRQ 1 ~ 15。其中，鼠标是IRQ12，键盘是IRQ1。

4. 例程harib03e（中断处理程序）

针对键盘和鼠标，编写INT 0x21（键盘）和INT 0x2c（鼠标）的中断处理程序。

// int.c节选
void inthandler21(int *esp)
{struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_000000, 0, 0, 32 * 8 - 1, 15);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "INT 21 (IRQ-1) : PS/2 keyboard");for (;;) {io_hlt();}
}void inthandler2c(int *esp)
{struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_000000, 0, 0, 32 * 8 - 1, 15);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "INT 2C (IRQ-12) : PS/2 mouse");for (;;) {io_hlt();}
}

函数只是显示一条信息并保持在待机状态。esp的值，在函数中暂时并没有使用。
中断处理完毕之后不可使用RET指令进行返回，必须使用IRETD指令。因此还需要使用汇编语言编写：

# 以键盘程序为例EXTERN	_inthandler21, _inthandler27, _inthandler2c_asm_inthandler21:PUSH	ESPUSH	DSPUSHADMOV		EAX,ESPPUSH	EAXMOV		AX,SSMOV		DS,AXMOV		ES,AXCALL	_inthandler21POP		EAXPOPADPOP		DSPOP		ESIRETD

这个函数所做的动作主要是，将寄存器的值保存在栈里，然后将DS和ES调整到与SS相等，再调用_inthandler21，返回以后，将所有寄存器的值再返回到原来的值，最后执行IRETD。如此小心翼翼的保存寄存器的值，原因在于中断的处理发生在函数运行的途中，通过IRETD从中断处理返回后，需要保证寄存器可以恢复到中断处理之前的状态。
代码中用到栈（stack）的存储方式。PUSH EAX本质上相当于ADD ESP, -4; MOVE [SS:ESP], EAX，即将ESP的值减4（栈空间从高地址到低地址），再把EAX的内容保存在这个地址。与之对应，POP EAX就是代表MOVE EAX, [SS:ESP]; ADD ESP, 4。
还有一个PUSHAD指令，它相当于：

PUSH EAX
PUSH ECX
PUSH EDX
PUSH EBX
PUSH ESP
PUSH EBP
PUSH ESI
PUSH EDI

POPAD则是将其全部都POP出来。
C语言自以为是的认为，DS、ES和SS都是同一个段。如果不按照它的想法设定为相等的话，函数inthandler21就没办法成功被执行。
将_asm_inthandler21和_asm_inthandler2c函数注册到IDT中：

/* 位于dsctbl.c的init_gdtidt函数中 */set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32);set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);

如果发生了0x21号中断，CPU就会自动调用asm_inthandler21。这里的2*8表示2<<3（低3bits有别的用处），即段号为2。该段为：

set_segmdesc(gdt + 2, LIMIT_BOTPAK, ADR_BOTPAK, AR_CODE32_ER);

在bookpack.c的HariMain函数中，新增了一个io_sti()函数的调用。该函数仅仅是执行了一个STI指令，它是CLI指令的逆指令。执行STI后，IF（interrupt flag）变为1，CPU接收来自于外部的中断。在HariMain的最后，修改了PIC的IMR，以便接收来自键盘和鼠标的中断。

	io_out8(PIC0_IMR, 0xf9); io_out8(PIC1_IMR, 0xef);

文章目录

1. 例程harib03c（c源文件分割并整理makefile文件）

2. 例程harib03c（用于描述段的信息）

3. 例程harib03d（初始化PIC）

4. 例程harib03e（中断处理程序）

相关文章：