操作系統實驗七:保護模式之中斷測試實驗

我對中斷的理解：

    中斷，顧名思義，就是在遇到特殊的情況時，停下當前正在做的事情，轉去幹其他（根據特殊情況預先設計好的）事情，完成後（並不一定非要）再繼續之前做的事情。

   首先說說“去幹其他（根據特殊情況預先設計好的）事情”。

   我們可以預先設計好256件事情（處理函數），然後使用0~255這256個編號（中斷向量號）表示代指。“事情”根據是否可以再次打斷（中斷），分爲中斷門（不可以被打斷）和陷阱門（可以再次被打斷）。

   下面解釋一下所謂的“遇到特殊的情況”，這個特殊的情況按照觸發類型可以分爲兩類：

   自動產生：自動產生的意思就是程序自己根據需要自己主動觸發的中斷，也就是使用int指令+中斷號觸發的。對於所有的256箇中斷，都可以使用int指令觸發。   

   被動產生：被動產生，就是系統硬性規定的，在遇到某種指定的情況，就觸發對應中斷向量號的中斷。
具體而言如下表：（摘自《自己動手寫內核系列_skelix》天衣有縫,有稍微修改）

中斷向量號   觸發原因
0x00           除零錯
0x01           調試異常
0x02           非可屏蔽中斷 (NMI)
0x03           斷點 (INT 3 指令)
0x04           溢出 (INTO 指令)
0x05           越界 (BOUND 指令)
0x06           無效的指令
0x07           無協處理器
0x08           雙重錯誤
0x09           協處理器越界
0x0A           無效的 TSS
0x0B           段不存在
0x0C           棧溢出
0x0D           通用保護異常（內存引用或其他檢查保護），Windows 9x 藍屏就是它的傑作
0x0E           頁錯誤
0x0F           Intel 保留
0x10           協處理器錯誤
0x11-0x19      Intel 保留

需要說明的有兩點：
    一.0x11~0x19這12箇中斷向量號， Intel預定了，但是並沒有實際使用上，但將來可能會用到。因此我們可以在編寫操作系統的使用直接拿來用，但是這樣會有一定風險，要是Intel的下一代產品裏使用了這些中斷向量號，我們想要兼容它，就不得不修改代碼將這幾個中斷向量號讓出來。
    二.上表中觸發的原因，基本都是程序運行時發生錯誤產生的（0x02號中斷除外），可以稱之爲內部中斷。與之相對應的稱作外部中斷的東西，就是由於計算機硬件（鍵盤，鼠標等）觸發的。這些中斷是可以屏蔽掉（忽略掉）的。想要響應這些中斷，也需要分配相應的中斷向量號才行。具體的內容就是下面要講到的可編程中斷控制器8259A。


可編程中斷控制器8259A：

8259A分自從兩塊，每一塊都可以接收8個不同觸發事件的信號，具體如下：（摘自《自己動手寫操作系統》於源）

主 8259A
序號        觸發源頭
IRQ0        時鐘
IRQ1        鍵盤
IRQ2        來自 從 8259A
IRQ3        串口2
IRQ4        串口1
IRQ5        LPT2
IRQ6        軟盤
IRQ7        LPT1

從 8259A
IRQ8        實時時鐘
IRQ9        重定向IRQ2
IRQ10       保留
IRQ11       保留
IRQ12       PS/2 鼠標
IRQ13       FPU 異常
IRQ14       AT 溫盤
IRQ15       保留

    通過編程，可以指定這些中斷事件對應哪些中斷向量號、是否使用 從 8259A ，以及屏蔽哪些中斷信號。具體的方法請參考pm32.c中的Init8259A()函數。

    瞭解了中斷源（觸發源），以及中斷源需要的一一對應關係的中斷向量號，最後就是對各個中斷向量號指定處理的動作（處理函數）了。這個我們在實驗任務門的使用已經很熟悉了，就是要創建一個IDT（中斷描述符表），這個IDT數組的序號就對應着中斷向量號。通過宏Gate中的選擇子和偏移量來指定處理的動作（處理函數）。使用lidt系統指令來加載這個IDT。
    需要特別說明的是，IDT這個數組中，每一個元素（中斷）佔8字節，若定義256箇中斷的話，需要2048字節的空間，這遠遠超出了引導扇區512字節的限制，因此與對付上一次實驗中的TSS類似，直接使用內存中不會用到的空間。先是定義一個只有一個元素的IDT，然後通過彙編指令重複複製到預先決定好的內存地址，然後再初始化具體的內容（對特定的中斷向量指定特定的處理函數）。


此次實驗的流程：
    1.跳轉到保護模式
    （pm32.c中main函數）
    2.重新加載新的GDT
    3.顯示字符串：This is Protect model.
    4.爲IDT模板設置一個默認函數
    5.將IDT模板重複複製到指定的內存地址
    6.爲IDT 0x20中斷（定時器中斷）設置一個處理函數，不斷循環加一修改顯示的字符
    7.爲IDT 0x80中斷設置一個處理函數：顯示字符“I”
    8.加載中斷描述符IDT
    9.進行中斷測試（使用int指令調用任意的中斷，使用sti指令啓用外部中斷使得定時器中斷產生效果等）

以下爲此次實驗代碼：
code:run.c
//文件：run.c //功能：編譯操作系統的實驗代碼並創建img，生成bochs配置文件，運行bochs。 //說明：實驗代碼由16位部分引導程序與32位部分引導程序組成。 // 16位部分引導程序放在引導扇區的前半部分，0~79字節 // 32位部分引導程序放在引導扇區的後半部分，80~509字節 // 510、511字節放引導程序結束標記：0x55、0xaa //運行：請使用yc09編譯器編譯運行，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-1-13 #define FDISK_SIZE 1474560 //鏡像大小：1.4MB //虛擬機設置 char *pmSrc = "megs: 32 /n" "romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000 /n" "vgaromimage: VGABIOS-elpin-2.40 /n" "floppya: 1_44=pm.img, status=inserted /n" "boot: a /n" "log: pm.out /n" "mouse: enabled=0 /n" "keyboard_mapping: enabled=1, map=x11-pc-us.map /n"; //編譯指定代碼文件並放入鏡像指定位置 //filename:要編譯的文件名 imgBuffer:保存到的鏡像緩衝區 //startIndex:指定起始位置 limitSize:編譯後程序限定大小 int CompileFile(char *fileName, byte *imgBuffer, int startIndex, int limitSize) { char *tempBuffer; //保存部分引導程序的臨時緩衝區 //編譯此部分引導程序，結果放到tempBuffer中 int length = YC_CompileCpp(&tempBuffer, fileName, 0, 0); if(length <= 0 || length >= limitSize) { printf("文件: %s 中存在一些錯誤或文件過大（超過%d字節）：%d字節/n", fileName,limitSize,length); return 1; } printf("文件: %s 編譯成功，大小爲：%d字節。/n", fileName, length); //將1此部分引導程序放到鏡像引導扇區緩衝區指定起始位置 memcpy(imgBuffer + startIndex, tempBuffer, length); free(tempBuffer); return 0; } int main(int argc, char **argv) { char * filePath = argv[0]; //當前文件夾路徑 char fileName[MAX_PATH]; //用於緩存各個文件名 //將可執行文件的完整路徑去掉文件名，保留文件夾路徑 for( int i = strlen(filePath);filePath[i] != '//';i--) filePath[i] = '/0'; byte *imgBuffer = new byte[FDISK_SIZE];//鏡像緩衝區 _start: //編譯16位部分引導程序並放在引導扇區的前半部分，0~79字節 if(CompileFile("pm16.c", imgBuffer, 0, 80)) goto _restart; //編譯32位部分引導程序並放在引導扇區的後半部分，80~509字節 if(CompileFile("pm32.c", imgBuffer, 80, 512-80-2)) goto _restart; //0000H-01FFH 爲FAT引導扇區[第0扇區] 以55 AA標誌結束 長度爲200H(512)字節 imgBuffer[510] = 0x55; imgBuffer[511] = 0xaa;//標記軟盤引導結尾 //創建操作系統鏡像pm.img if(YC_writefile("pm.img", imgBuffer, FDISK_SIZE) != FDISK_SIZE) { printf("寫: %s 文件過程中出現錯誤。/r/n", fileName); goto _restart; } printf("/n%s 創建成功。/n", fileName); //生成操作系統虛擬機配置文件pm.src YC_writefile("pm.src", pmSrc, strlen(pmSrc)); //運行虛擬機 YC_WinExec(strcat(strcpy(fileName, filePath), "bochs.exe"), "-q -f pm.src"); _restart: printf("/n點擊回車重新編譯運行！/n/n/n"); while(getchar() != '/n'); goto _start; return 0; }

 

code:pm.h

//文件：pm.h //功能：pm16.c與pm32.c的公共頭文件 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-2-12 //定義GDT屬性 #define DA_32 0x4000 //32位段 #define DA_DRW 0x92 //存在的可讀寫數據段屬性值 #define DA_DRWA 0x93 //存在的已訪問可讀寫數據段類型值 #define DA_CR 0x9A //存在的可執行可讀代碼段屬性值 #define DA_C 0x98 //存在的只執行代碼段屬性值 //定義門屬性 #define DA_386CGate 0x8c //386調用門類型 #define DA_386IGate 0x8e //368中斷們類型 #define DA_386TSS 0x89 //可用386任務狀態段類型值 typedef unsigned int t_32; //4字節 typedef unsigned short t_16; //2字節 typedef unsigned char t_8; //1字節 typedef int t_bool;//4字節 typedef unsigned int t_port;//4字節 //存儲段描述符/系統段描述符 struct DESCRIPTOR //共 8 個字節 { t_16 limit_low; //Limit 2字節 t_16 base_low; //Base 2字節 t_8 base_mid; //Base 1字節 t_8 attr1; //P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) 1字節 t_8 limit_high_attr2; //G(1) D(1) 0(1) AVL(1) LimitHigh(4) 1字節 t_8 base_high; //Base 1字節 }; #define Descriptor(bas,len,attr) { / (len) & 0xffff, / (bas) & 0xffff, / ((bas)>>16)&0xff, / (attr) & 0xff, / (((attr)>>8) &0xf0) + (((len)>>16) & 0x0f), / ((bas) >> 24) & 0xff } / #define Gate(slector,offset,dCount,attr) { / (offset) & 0xffff, / slector, / (dCount)&0x1f , / attr, / ((offset)>>16) &0xff, / ((offset) >> 24) & 0xff } /

 

code:pm16.c

//文件：pm16.c //功能：切換到保護模式，跳轉到32位代碼段 //說明：我試圖僅在引導扇區編寫保護模式的相關實驗，因此將這個程序精簡了很多。 // 它只負責跳轉到保護模式，其他的工作都在pm32.c下完成。 // pm16.c只佔引導扇區的前半部分0~79字節。 // pm32.c部分會加載到內存0x7c50處。 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-1-30 #define YCBIT 16 //告訴編譯器，以16位格式編譯程序 #define YCORG 0x7c00 //告訴編譯器，在7c00處加載程序 #include "pm.h" //GDT界限，只負責跳轉到保護模式，到時會加載新的GDT DESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(0x7c50, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代碼段(pm32.c),可執行可讀 }; //GDT 選擇子，根據GDT界限設置偏移量值 #define SelectorCode32 8*1 //指向32位段處 #pragma pack(1) struct GDT_PTR { unsigned short size; void *addr; }GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)label_gdt}; //段界限,基地址 #pragma pack() asm void main() { mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax //清屏 mov ah, 06h //屏幕初始化或上卷 mov aL, 00h //AH = 6, AL = 0h mov bx, 1110h //藍色底色 mov cx, 0 //左上角: (0, 0) mov dl, 4fh //第0列 mov dh, 1fh //第0行 int 10h //顯示中斷 lgdt GdtPtr //加載 GDTR //cli //關中斷 //打開地址線A20 in al, 92h or al, 00000010b out 92h, al //準備切換到保護模式，置cr0的PE位爲1 mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax //真正進入保護模式 jmp dword SelectorCode32:0x0 }

 

code:pm32.c

//文件：pm32.c //功能：保護模式下32位代碼段，功能爲加載新的GDT，設置默認中斷處理函數，生成IDT描述符， // 設置定時器中斷處理函數等，進行中斷調用測試 //說明：32位部分引導程序放在鏡像引導扇區的後半部分，80~509字節中，程序大小不能超過這個限制 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果 ，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-2-12 #define YCBIT 32 //告訴編譯器，以32位格式編譯程序 #define YCORG 0x0 //此值會對在編譯時對變量函數等產生地址基址偏移量，簡單起便，設置爲0 #include "pm.h" #define retf db 0xcb //因爲yc09不識別retf指令，所以使用宏定義一個retf指令 #define ProtecAddr 0x7c50 //進入保護模式後的程序基址 asm void Init8259A(); //初始化可編程中斷控制器8259A asm void SpuriousHandler(); //默認的中斷處理函數 asm void ClockHandler(); //定時器中斷處理函數，加一修改屏幕的一個字符 asm void UserIntHandler(); //軟中斷 0x80號中斷處理函數 ，顯示字符“I” asm void DispStr(); //顯示一個字符串，需要先設置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置 //GDT 選擇子，根據pm32.c中的GDT界限設置偏移量值 #define SelectorCode32 8*1 //指向32位段處代碼段,可執行可讀 #define SelectorVideo 8*2 //指向顯存首地址 #define SelectorData32 8*3 //指向32位段處，這樣，在程序中的變量就可以讀寫了 //GDT界限，注意，這個與pm16.c中的GDT不同，從pm16.c跳轉過來後會立即載入這個新的GDT DESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(ProtecAddr,0xfffff,DA_CR|DA_32), //32位代碼段(pm32.c),可執行可讀， //注意:必須要加DA_32,否則調用iretd指令會出錯: //[CPU ] iret: return CS selector null Descriptor(0xb8000, 0xffff, DA_DRW), //顯存地址段,可讀可寫 Descriptor(ProtecAddr,0xfffff,DA_DRW|DA_32),//令32位代碼段(pm32.c)的變量可以讀寫 }; #pragma pack(1) struct GDT_PTR { t_16 size; void *addr; }; #pragma pack() GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)&label_gdt + ProtecAddr}; //段界限,基地址 #define IdtAddr 0x8000 //存放IDT描述符結構體的基址 #define IdtNum 0x81 //創建0x81=129箇中斷 (中斷號：0x0~0x80) //加載IDT時需要用到 GDT_PTR IdtPtr = {(IdtNum)*8, IdtAddr}; //段界限,基地址 //IDT中斷描述符模板（爲了節省程序字節空間，在此只是創建一個IDT模板，然後根據中斷數重複拷貝到起始地址IdtAddr後） DESCRIPTOR label_idt[] = { // 選擇子 偏移量 參數個數 屬性 Gate(SelectorCode32, 0, 0, DA_386IGate), }; char Msg1[] = "This is Protect model."; //32 位代碼段. 由實模式跳入 asm void main() { lgdt cs:GdtPtr //加載新的GDTR mov eax, SelectorVideo mov gs, ax //視頻段選擇子(目的) mov eax, SelectorData32 //令32位代碼段的變量（printPlace）可以讀寫 mov ds, ax //下面顯示一個字符串(顯示已經到達保護模式信息) mov esi, &Msg1 //源數據偏移 mov edi, ((80 * 0 + 0) * 2) //目的數據偏移。屏幕第0行, 第0列。 call DispStr //爲IDT模板設置一個默認函數 mov eax, &SpuriousHandler //默認函數地址 mov word label_idt, ax //放到偏移量前兩個字節 shr eax, 16 mov word label_idt+6, ax //放到偏移量後兩個字節 //在指定內存地址生成IDT描述符結構體數組 mov eax, IdtAddr //目的，加上es的0x0 _CreateIDT: mov esi, &label_idt //源，加上ds的0x7c50 mov edi, eax mov ecx, 0x8 //有8字節，重複8次 cld rep movsb //movs byte es:edi, ds:esi 此時：es=0x0,ds=0x7c50 add eax, 0x8 cmp eax,IdtAddr+IdtNum*0x8 //創建129箇中斷 (中斷號：0x0~0x80) jne _CreateIDT //爲IDT 0x20中斷（定時器中斷）設置一個處理函數，不斷循環加一修改顯示的字符 mov eax, &ClockHandler //默認函數地址 mov word es:[IdtAddr+0x20*0x8], ax //放到偏移量前兩個字節 shr eax, 16 mov word es:[IdtAddr+0x20*0x8+6], ax //放到偏移量後兩個字節 //爲IDT 0x80中斷設置一個處理函數：顯示字符“I” mov eax, &UserIntHandler //默認函數地址 mov word es:[IdtAddr+0x80*0x8], ax //放到偏移量前兩個字節 shr eax, 16 mov word es:[IdtAddr+0x80*0x8+6], ax //放到偏移量後兩個字節 //加載中斷描述符IDT lidt IdtPtr call Init8259A //初始化可編程中斷控制器8259A //int 0x0 //測試其他默認中斷 int 0x80 sti //打開中斷 _dead: jmp _dead } //延時程序，給8259控制器一個反應時間 asm void IoDelay() { nop nop nop nop ret } //初始化可編程中斷控制器8259A asm void Init8259A() { mov al, 0x11 out 0x20, al//主8259，ICW1 call IoDelay out 0xa0, al//從8259，ICW1 call IoDelay mov al, 0x20//IRQ0對應中斷向量0x20 out 0x21,al//主8259，ICW2 call IoDelay mov al, 0x28//IRQ8對應中斷向量0x28 out 0xa1, al//從8259，ICW3 call IoDelay mov al, 0x04//IR2對應從8259 out 0x21, al//主8259，ICW3 call IoDelay mov al, 0x02//對應I主8259的IR2 out 0xa1, al//主8259，ICW3 call IoDelay mov al, 0x01 out 0x21,al//主8259，ICW4 call IoDelay out 0xa1, al//從8259，ICw4 call IoDelay mov al, 0xfe//1111 1110 只開啓定時器中斷 out 0x21, al//主8259，OCW1 call IoDelay mov al, 0xff//1111 1111 屏蔽從8259所有中斷 out 0xa1, al//從8259，OCW1 call IoDelay ret } //默認的中斷處理函數 asm void SpuriousHandler() { mov ah, 14h //藍底紅字(ah = 14h) mov al,'!' mov gs:[((80 * 1 + 0) * 2)], ax _dead: jmp _dead iretd } //定時器中斷處理函數，加一修改屏幕的一個字符 asm void ClockHandler() { inc word gs:[((80 * 2+ 0) * 2)]//覆蓋的內容可以爲空，連背景顏色一起修改 inc byte gs:[((80 * 3+ 0) * 2)] //覆蓋的內容必須不能爲空，否則看不出效果 mov al, 0x20 out 0x20, al//發送EOI iretd } //軟中斷 0x80號中斷處理函數 ，顯示字符“I” asm void UserIntHandler() { mov ah, 14h //藍底紅字(ah = 14h) mov al,'I' mov gs:[((80 * 3 + 0) * 2)], ax iretd } //顯示一個字符串，需要先設置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置 asm void DispStr() { mov ah, 14h //藍底紅字(ah = 14h) //循環逐個將字符串輸出 _DispStr: mov al, ds:[esi]//因爲可讀，才能用cs指向當前段的Msg字符串 inc esi cmp al, '/0' //判斷是否字符串結束 jz _stop mov gs:[edi], ax add edi, 2 jmp _DispStr _stop: //顯示完畢 ret }