doc/中断编程实验.md · 稀风/KOS

引言

本章节我们将会通过 2 个实验来深入理解保护模式下的中断

实验一

实验目标：自定义一个保护模式下的软中断（int 0x80），使得在使用 int 0x80 中断后在屏幕上打印字符串 “int 0x80”
实现思路
直接开始吧，让我们先找个以前实现过的基础代码：loader.asm

回顾代码的框架

boot.asm 跳转到 loader.asm，并打印 “Welcome to KOS.” 
      |
CODE16_START   ; 实模式，打印 “Loader...”
      |
CODE32_START   ; 进入保护模式，打印 “Enter protection”

老规矩，先把最终实现代码给你们，再来一步一步讲解过程.最终代码：loader.asm
先准备好 2 个中断服务程序，注意，中断服务程序必须用 iret 返回

DefaultHandler 函数用于默认中断处理函数，仅提供函数地址作用，可以不用实现函数内部功能；Int0x80Handler 函数就是我们本次实验的目标函数，内部实现打印 “int 0x80” 字符串

DefaultHandler:
    iret
DefaultHandler_Offset   equ     DefaultHandler-CODE32_START

Int0x80Handler:
    mov ebp, msg_int0x80_offset
    mov bl, 0x0F        ; 打印属性，黑底白字
    ; 坐标 (0, 3)
    mov dl, 0x00
    mov dh, 0x03
    call print_str_32
    iret
Int0x80Handler_Offset   equ     Int0x80Handler-CODE32_START

接下来构建一个 IDT 中断描述符表，可以借用【调用门】代码中门描述符的定义。共 256 个中断描述符

; 中断描述符表定义
;                选择子，          偏移地址，               参数个数，属性    
IDT_BASE : Gate  CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,  DA_INTR_GATE
           Gate  CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,  DA_INTR_GATE
           Gate  CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,  DA_INTR_GATE
           ...(重复 256 次) 
IDT_LEN     equ     $ - IDT_BASE

我们看到中断描述符表中有大量重复的代码，我们可以使用 rep 指令处理重复操作，rep 使用格式如下：
```
; 重复 n 次 xxx
%rep n
xxx
%endrep
```

改动一下

IDT_BASE:
%rep 256
    Gate   CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,       DA_INTR_GATE
    %endrep
IDT_LEN     equ     $ - IDT_BASE

int 0x80 中断在整个中断描述符表中排第 129 位，于是再次改动一下：

; IDT 中断描述符表定义
;          选择子，           偏移地址，             参数个数， 属性 
IDT_BASE: 
    %rep 128
    Gate   CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,       DA_INTR_GATE
    %endrep
    Gate   CODE32_SELECTOR,  Int0x80Handler_Offset,  0,       DA_INTR_GATE
    %rep 127
    Gate   CODE32_SELECTOR,  DefaultHandler_Offset,  0,       DA_INTR_GATE
    %endrep
IDT_LEN     equ     $ - IDT_BASE

中段描述符表 IDT 我们已经构建好了，参考全局描述符表加载（lgdt），我们需要告诉 CPU 哪片内存是 IDT，即 lidt 指令，其格式是 lidt [6 个字节的内存数据首地址]

我们只需要先定义这 6 个字节的数据

IDT_PTR :
  dw   IDT_LEN - 1
  dd   IDT_BASE

然后再使用 lidt 就可以了，注意：要放在实模式下调用
```
lidt [IDT_PTR]
```
准备工作全部完成啦，下面就是在 32 位保护模式下调用 int 0x80 触发中断
运行一下，看看最终效果

实验二

实验目标：处理外部时钟中断（接主 8259A IRQ0 引脚），接收到时钟中断后，在屏幕上循环打印 '0'-'9'
先提供实验完整代码：loader.asm
实现思路跟实验一一样，都是套路
由于本实验依赖 8259A，所以先把 8259A驱动编写中实现的驱动代码复制过来并初始化 8259A
```
call pic_init
```

准备中断服务函数，注意程序最后需要调用 write_m_EOI 手动结束中断，如果不手动结束中断，那么该中断只会触发一次

TimerHandler:
    cmp al, '9'         ; 判断 al 是否为 '9'
    je .to_0            ; 如果 al=9，则跳转到 .to_0 处执行
    inc al
    jmp .display        ; 跳转到 .display 处执行

.to_0:
    mov al, '0'         ; al = '0'

.display:               ; 使用现存方式打印，al 为要打印的字符，ah 为打印属性
    mov ah, 0x0F        ; 打印属性，黑底白字
    mov [gs:(80*4+0)*2], ax ; (80 * 4 + 0)*2 ; 坐标 (0, 4)

    call write_m_EOI    ; 手动结束中断
    iret
TimerHandler_Offset   equ     TimerHandler-CODE32_START

回想一下8259A驱动编写中，pic_init 将主 8259A IRQ0 引脚（外部时钟）的中断向量号设置为了 0x20，于是我们在中段描述符表 IDT 中添加对应的中断描述符（第 33 个）
```
...
Gate   CODE32_SELECTOR,  TimerHandler_Offset,  0,  DA_INTR_GATE
...
```
编译运行一下，理论是应看到实验现象，但是并没有
思考一下，8259A 的 IMR 寄存器起到放行作用，是不是 IMR 寄存器默认不放行呢？

于是，我们把 IMR 寄存器的 bit0 （对应IRQ0，即外部时钟引脚）清零

EnableTimer:
    push ax
  
    call read_m_IMR
    and al, 0xFE
    call write_m_IMR
  
    pop ax
    ret

再次编译运行一下，发现还是不行，又是什么原因导致没有出现我们想要的现象呢？
我们又想到，在讲 8259A 的时候我们就说过，不过 8259A 能屏蔽中断，CPU 也可以屏蔽中断，是不是 CPU 把外部中断屏蔽了呢？
实验一下不就知道了吗，sti 指令就可以开启 CPU 中断（cli：关中断）
果然，加上 sti 指令后，屏幕上果然循环打印出 '0'-'9'。这说明 CPU 默认是屏蔽外部中断的
再改动一下，不执行 EnableTimer 函数，即不手动放行 8259A IRQ 中断
```
; call EnableTimer
sti
```
发现依然能循环打印出 '0'-'9'，这说明 8259A 的 IMR 寄存器是默认放行的
最后贴上实验截图，虽然无法看到 '0'-'9' 跳动过程，但至少能证明我们的代码是实实在在运行成功的

中断嵌套

提到中断，那么我们就得思考一个问题，那就是中断嵌套。什么是中断嵌套呢？
比如我们上面实验二所做的外部时钟中断，假设时钟中断引脚 IRQ0 每 5ms 触发一次，而对应的中断服务程序执行实时间是 20ms。这时候就会遇到一个问题，在第一次中断服务程序正在执行的过程中，又触发了一次中断，这种情况我们就称之为中断嵌套
从 pic_init 初始化主 8259A 函数中 ICW4 寄存器的设置中，我们知道，主 8259A 被设置成了特殊全嵌套模式，即中断服务程序执行过程中，仍然响应同级中断
对于外部中断，不光 8259A 的 IMR 寄存器提供了中断屏蔽机制， CPU 也有个总开关（eflags 的 IF 位），也可以屏蔽中断
就拿实验二的代码，让我们反汇编后断点调试，看一看中断执行前后 IF 位的情况吧。IF=1：可以响应外部中断；IF=0：屏蔽外部中断

make 之后反汇编一下

ndisasm -o 0x900 loader.bin  > loader.txt

查看 loader.txt 文件，找到开启中断 sti 指令地址：0x1214，TimerHandler 函数入口处（cmp al, '9'）地址：0x125B，TimerHandler 函数最后返回指令 iret 地址：0x1273，使用 reg 指令，看一下各状态下 eflags 中 IF 位的变化（大写表示值为 1，小写表示值为 0）

<bochs:1> b 0x1214
<bochs:2> b 0x125B
<bochs:3> b 0x1273
<bochs:4> c
...
(0) Breakpoint 1, 0x00001214 in ?? ()
Next at t=16768062
(0) [0x00001214] 0008:00000032 (unk. ctxt): sti                       ; fb
<bochs:5> reg
eax: 0x00000030 48
ecx: 0x00000009 9
edx: 0x00000300 768
ebx: 0x0000000f 15
esp: 0x00000fff 4095
ebp: 0x00000011 17
esi: 0x0000130f 4879
edi: 0x00000923 2339
eip: 0x00000032
eflags 0x00000046: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf sf ZF af PF cf
<bochs:6> s
Next at t=16768063
(0) [0x00001215] 0008:00000033 (unk. ctxt): jmp .-2 (0x00001215)      ; ebfe
<bochs:7> reg
eax: 0x00000030 48
ecx: 0x00000009 9
edx: 0x00000300 768
ebx: 0x0000000f 15
esp: 0x00000fff 4095
ebp: 0x00000011 17
esi: 0x0000130f 4879
edi: 0x00000923 2339
eip: 0x00000033
eflags 0x00000246: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df IF tf sf ZF af PF cf
<bochs:8> c
(0) Breakpoint 3, 0x00001273 in ?? ()
Next at t=16921763
(0) [0x00001273] 0008:00000091 (unk. ctxt): iretd                     ; cf
<bochs:9> reg
eax: 0x00000f31 3889
ecx: 0x00000009 9
edx: 0x00000300 768
ebx: 0x0000000f 15
esp: 0x00000ff3 4083
ebp: 0x00000011 17
esi: 0x0000130f 4879
edi: 0x00000923 2339
eip: 0x00000091
eflags 0x00000003: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf sf zf af pf CF
<bochs:10> s
Next at t=16921764
(0) [0x00001215] 0008:00000033 (unk. ctxt): jmp .-2 (0x00001215)      ; ebfe
<bochs:11> reg
eax: 0x00000f31 3889
ecx: 0x00000009 9
edx: 0x00000300 768
ebx: 0x0000000f 15
esp: 0x00000fff 4095
ebp: 0x00000011 17
esi: 0x0000130f 4879
edi: 0x00000923 2339
eip: 0x00000033
eflags 0x00000246: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df IF tf sf ZF af PF cf
<bochs:12>

从调试信息上看
- sti 指令的本质就是将 eflags IF 位置 1
- 在中断服务程序 TimerHandler 执行期间， IF 位为 0，说明 CPU 在中断服务程序执行过程中本身是不响应其它中断的
如果你想实现在中断服务程序执行过程中依旧能响应其它中断，可以在中断服务程序的开始处手动加上 sti 指令

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