中断系统

中断, 如名字所示, 是强制性执行流的转移也就是不管你处于哪个环境。只要有中断和异常,都会强制执行的。换句话来讲就是从当前流程强制转到另一个流程

中断是OS中一个比较重要的概念, 可以说中断驱动了OS的各种行为.
如: I/O设备响应, 异常处理, 进程调度等

一些开发前要了解的知识

中断描述符表 (Interrupt Description Table)

IDT中存储的段描述符都是系统段描述符
IDT中的第一个元素不是NULL（不为空）
IDT可以包含三种门描述符：①任务门描述符；②中断门描述符；③陷阱门描述符

IDT表可以驻留在线性地址空间的任何地方，处理器使用IDTR寄存器来定位IDT表的位置。这个寄存器中含有IDT表32位的基地址和16位的长度（限长）值。 IDT表基地址应该对齐在8字节边界上以提高处理器的访问效率。限长值是以字节为单位的IDT表的长度。

IDT有特殊的标志位规定某些中断是否可以由用户程序使用 int $xx 指令来触发

中断向量表 (Interrupt Vector Table: IVT)

在x86实模式承担IDT的功能, 其作用与IDT基本相同,与IDT不同的是,IVT固定基址为内存0x00000000处开始, 相比IDT也没有那么多特权级限制

在PC/AT中，规定内存储器的最低1 KB用来存放中断向量 (共256个)，称这一片内存区为中断向量表，地址范围是0~3FFH

异常中断

异常中断是非可屏蔽中断, 由CPU内部触发，用于向正在运行的内核发出需要其处理的一些异常。在Intel规定中，前32个中断向量被留为异常

在中断流程里发生异常中断叫 Double Fault
在 Doubel Fault 里再次发生中断叫 Triple Fault

当发生 Triple Fault 类型中断时候, 计算机系统意识到发生了内核无法解决的严重错误, 这个时候计算机系统会越过ACPI等电源的设置迅速进行重启。

以下是一份IDT各种异常的对照表

IDT对照表

OSDEV Exceptions OSDEV网站有对异常中断作详细的解释

中断请求 (IRQ) 或硬件中断

这种类型的中断由芯片组在外部产生，并通过锁定到相关 CPU 的 #INTR 引脚或等效信号来发出信号。属于可屏蔽中断的一种。

在最初的32系统开发中, 我们会接触到一个叫做8259A的可编程中断控制器

软中断

这类中断通常由用户程序触发, 一般用于 Syscall 系统调用等功能，属于可屏蔽中断的一种

如何配置IDT

以下会讲解我们如何用C和汇编来配置我们的中断系统，方便我们在内核中更好的处理它们

C结构体声明

通常, 我们建议你将这些结构体定义在头文件中, 以方便我们在其他地方复用它们

中断门描述符结构体

struct idt_entry_struct {
    uint16_t base_low;
    uint16_t sel;
    uint8_t always0;
    uint8_t flags;
    uint16_t base_high;
} __attribute__((packed));

typedef struct idt_entry_struct idt_entry_t;

IDT指针声明

struct idt_ptr_struct {
    uint16_t limit;
    uint32_t base;
} __attribute__((packed));

typedef struct idt_ptr_struct idt_ptr_t;

以及一些函数的预定义

void idt_install(); //IDT初始化

void idt_use_reg(uint8_t num,uint32_t base); //注册用户程序可触发的中断, 这个在我们以后写到syscall时候要用
void idt_set_gate(uint8_t num, uint32_t base, uint16_t sel, uint8_t flags); //注册一般中断

汇编定义的ISR处理函数

#define DECLARE_ISR(i) extern void isr##i();

DECLARE_ISR(0)
DECLARE_ISR(1)
DECLARE_ISR(2)
DECLARE_ISR(3)
DECLARE_ISR(4)
DECLARE_ISR(5)
DECLARE_ISR(6)
DECLARE_ISR(7)
DECLARE_ISR(8)
DECLARE_ISR(9)
DECLARE_ISR(10)
DECLARE_ISR(11)
DECLARE_ISR(12)
DECLARE_ISR(13)
DECLARE_ISR(14)
DECLARE_ISR(15)
DECLARE_ISR(16)
DECLARE_ISR(17)
DECLARE_ISR(18)
DECLARE_ISR(19)
DECLARE_ISR(20)
DECLARE_ISR(21)
DECLARE_ISR(22)
DECLARE_ISR(23)
DECLARE_ISR(24)
DECLARE_ISR(25)
DECLARE_ISR(26)
DECLARE_ISR(27)
DECLARE_ISR(28)
DECLARE_ISR(29)
DECLARE_ISR(30)
DECLARE_ISR(31)
#undef DECLARE_ISR
#define DECLARE_IRQ(i) extern void irq##i();
DECLARE_IRQ(0)
DECLARE_IRQ(1)
DECLARE_IRQ(2)
DECLARE_IRQ(3)
DECLARE_IRQ(4)
DECLARE_IRQ(5)
DECLARE_IRQ(6)
DECLARE_IRQ(7)
DECLARE_IRQ(8)
DECLARE_IRQ(9)
DECLARE_IRQ(10)
DECLARE_IRQ(11)
DECLARE_IRQ(12)
DECLARE_IRQ(13)
DECLARE_IRQ(14)
DECLARE_IRQ(15)

DECLARE_IRQ(80)
#undef DECLARE_IRQ

中断触发前的CPU各种寄存器状态以及中断号等

typedef struct registers {
    uint32_t ds; // 我们自己弹入的，当前数据段
    uint32_t edi, esi, ebp, useless, ebx, edx, ecx, eax; // 按pusha顺序
    // 其中esp一项不会被popa还原至对应寄存器中，因为esp寄存器代表的是当前的栈而不是进入中断前的，因此用useless代替
    uint32_t int_no, err_code; // 中断代号是自己push的，err_code有的自带，有的不自带
    uint32_t eip, cs, eflags, esp, ss; // 进入中断时自动压入的
} registers_t;

方便内核注册中断处理函数以及一些其他定义

#define IRQ0 32
#define IRQ1 33
#define IRQ2 34
#define IRQ3 35
#define IRQ4 36
#define IRQ5 37
#define IRQ6 38
#define IRQ7 39
#define IRQ8 40
#define IRQ9 41
#define IRQ10 42
#define IRQ11 43
#define IRQ12 44
#define IRQ13 45
#define IRQ14 46
#define IRQ15 47

typedef void (*isr_t)(registers_t *);

void register_interrupt_handler(uint8_t n, isr_t handler);

C语言的函数实现

一般这里的代码我们可以在 idt.c 文件中编写

一些全局变量和汇编函数导入

#include "description_table.h" //描述符表的头文件, 你可以自由命名, 但教程这里是将GDT与IDT的头文件合并到一块了
#include "io.h" //我们之前编写的io.h文件, 用于定义各种IO操作函数
static isr_t interrupt_handlers[256];
idt_entry_t idt_entries[256]; // IDT有256个描述符
idt_ptr_t idt_ptr;

extern void idt_flush(uint32_t); //从汇编中导入的函数, 用于加载IDT

函数实现

void idt_use_reg(uint8_t num,uint32_t base){
    idt_entries[num].base_low = base & 0xFFFF;
    idt_entries[num].base_high = (base >> 16) & 0xFFFF; // 拆成低位和高位

    idt_entries[num].sel = 0x08;
    idt_entries[num].always0 = 0;
    idt_entries[num].flags = 0x8E | 0x60;
}

void idt_set_gate(uint8_t num, uint32_t base, uint16_t sel, uint8_t flags) {
    idt_entries[num].base_low = base & 0xFFFF;
    idt_entries[num].base_high = (base >> 16) & 0xFFFF; // 拆成低位和高位

    idt_entries[num].sel = sel;
    idt_entries[num].always0 = 0;
    idt_entries[num].flags = flags;
    // flags | 0x60，即可被Ring3调用
}

void register_interrupt_handler(uint8_t n, isr_t handler) {
    interrupt_handlers[n] = handler;
}

void idt_install() {
    idt_ptr.limit = sizeof(idt_entry_t) * 256 - 1;
    idt_ptr.base = (uint32_t) & idt_entries;

    memset(&idt_entries, 0, sizeof(idt_entry_t) * 256);

    // 初始化PIC
    outb(0x20, 0x11);
    outb(0xA0, 0x11);
    outb(0x21, 0x20);
    outb(0xA1, 0x28);
    outb(0x21, 0x04);
    outb(0xA1, 0x02);
    outb(0x21, 0x01);
    outb(0xA1, 0x01);
    outb(0x21, 0x0);
    outb(0xA1, 0x0);

#define REGISTER_ISR(id) idt_set_gate(id, (uint32_t) isr##id, 0x08, 0x8E)
    REGISTER_ISR(0);
    REGISTER_ISR(1);
    REGISTER_ISR(2);
    REGISTER_ISR(3);
    REGISTER_ISR(4);
    REGISTER_ISR(5);
    REGISTER_ISR(6);
    REGISTER_ISR(7);
    REGISTER_ISR(8);
    REGISTER_ISR(9);
    REGISTER_ISR(10);
    REGISTER_ISR(11);
    REGISTER_ISR(12);
    REGISTER_ISR(13);
    REGISTER_ISR(14);
    REGISTER_ISR(15);
    REGISTER_ISR(16);
    REGISTER_ISR(17);
    REGISTER_ISR(18);
    REGISTER_ISR(19);
    REGISTER_ISR(20);
    REGISTER_ISR(21);
    REGISTER_ISR(22);
    REGISTER_ISR(23);
    REGISTER_ISR(24);
    REGISTER_ISR(25);
    REGISTER_ISR(26);
    REGISTER_ISR(27);
    REGISTER_ISR(28);
    REGISTER_ISR(29);
    REGISTER_ISR(30);
#undef REGISTER_ISR
    idt_use_reg(31, (uint32_t) isr31);
#define REGISTER_IRQ(id, irq_id) idt_set_gate(id, (uint32_t) irq##irq_id, 0x08, 0x8E)
    REGISTER_IRQ(32, 0);
    REGISTER_IRQ(33, 1);
    REGISTER_IRQ(34, 2);
    REGISTER_IRQ(35, 3);
    REGISTER_IRQ(36, 4);
    REGISTER_IRQ(37, 5);
    REGISTER_IRQ(38, 6);
    REGISTER_IRQ(39, 7);
    REGISTER_IRQ(40, 8);
    REGISTER_IRQ(41, 9);
    REGISTER_IRQ(42, 10);
    REGISTER_IRQ(43, 11);
    REGISTER_IRQ(44, 12);
    REGISTER_IRQ(45, 13);
    REGISTER_IRQ(46, 14);
    REGISTER_IRQ(47, 15);
#undef REGISTER_IRQ
    idt_flush((uint32_t) & idt_ptr);
}

C语言中的中断预处理函数, 由汇编调用

void isr_handler(registers_t regs) {
    //printf("\n[Kernel]: received interrupt: %d\n",regs.int_no); 这里你可以输出一下异常中断号,也可以不输出

    if (interrupt_handlers[regs.int_no]) {
        isr_t handler = interrupt_handlers[regs.int_no]; // 有自定义处理程序，调用之
        handler(&regs); // 传入寄存器
    }
}

void irq_handler(registers_t regs) {
    if(regs.int_no != 0x2b) {
        if (regs.int_no >= 40) outb(0xA0, 0x20); // 中断号 >= 40，来自从片，发送EOI给从片
        outb(0x20, 0x20); // 发送EOI给主片
    }
    if (interrupt_handlers[regs.int_no]) {
        isr_t handler = interrupt_handlers[regs.int_no]; // 有自定义处理程序，调用之
        handler(&regs); // 传入寄存器
    }
}

什么? 你问我汇编部分呢, 请看源码文件, 我们使用nasm语法编写

interrupt.asm

2. 初识 C

3. 基本概念

4. 表达式

6. 函数

8. 指针

9. 声明

10. 结构体

12. 对象

12.1 对象表示

24. 标准库

数据结构

算法

Mdr Server

Mdr Chat Room

Mdr Lang

MdrDB

MdrOS

中断系统

一些开发前要了解的知识

中断描述符表 (Interrupt Description Table)

中断向量表 (Interrupt Vector Table: IVT)

异常中断

中断请求 (IRQ) 或硬件中断

软中断

如何配置IDT

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C语言的函数实现

4. 表达式

6. 函数

8. 指针

9. 声明

10. 结构体

12.1 对象表示

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