实现OS记录:实现中断机制

0x00

操作系统是由中断驱动的

0x01 何为中断

整个操作系统的主体可以看做一个死循环，可以粗陋地看作如下形式

while(1)
{
    wait_and_handle_interrupt();
}

所谓中断就是告诉 CPU 某件事发生了，你处理一下。那么来自 CPU 外部就是外部中断：外部中断的来源是计算机的其他硬件，所以又称为硬件中断（比如按下键盘）。来自 CPU 内部就是内部中断：可分为软中断和异常。要么来自软件（比如系统调用），要么就是 CPU 出错了（例如除0错误）。

0x02 处理中断

那么操作系统如何处理中断？

0x021 IDT

要处理它首先得让操作系统知道什么是中断：定义一个 IDT （Interrupt Descriptor Table：中断描述符表）。CPU 使用一个专门的寄存器 IDTR 存放内存中 IDT 的位置。这意味着 IDT 需要操作系统自行准备好放在内核内存里。

可使用特权指令 lidt 和 sidt 来读写这个寄存器。

什么又是中断描述符？如下所示

// 中断描述符结构体
struct IntrDesc{
    uint16_t func_offset_low_word;    // 中断处理函数地址低16位
    uint16_t selector;                // 代码段选择子
    uint8_t zero;                    //不用考虑，必须为0
    uint8_t attribute;               // 类型 属性
    uint16_t func_offset_high_word;  // 中断处理函数地址高16位
};

此前提到过四中”门”，所谓”门”就是类似这样的程序入口。中断描述符也就是中断门描述符。通过图中的 type 字段确定是那种门（调用门，任务门，陷阱门或是中断门）

一目了然。有了这个结构操作系统就知道应该到哪里去处理一个中断。对于一个中断发生时，根据其对应的中断向量号（每个中断源对应一个中断向量号，粗浅理解为在 IDT 中的索引）找到对应的中断描述符，然后找到其在内核中的处理程序即可。

0x022 处理过程

软件部分：

• 处理器根据中断向量号定位中断门描述符

由于中断描述符是 8 个字节， 所以处理器用中断向量号乘以 8 后，再与 IDTR 中的中断描述符表地址相加，所求的地址之和便是该中断 向量号对应的中断描述符。

• 处理器进行特权级检查

如果是用户程序发起的中断，则先检查用户 CPL 是否小于等于中断描述符 DPL (在其13-14比特位，处于定义的 attribute 字段中，注意不是 selector 的 RPL)，即用户特权级是否满足这个中断描述符所需。

检查中断描述符的 selector 中的 RPL 是否小于等于当前 cpu 的 CPL。也就是要求中断只能提升特权级。如果是硬件中断或者异常，则不需要第一个检查，直接检查这个。

• 执行中断处理程序

将中断描述符中的代码段选择子加载到 cs 寄存器，将中断描述符中的中断处理程序偏移地址加载到 eip。跳转到终端处理程序。

这个过程需要压栈旧的 cs、eip 等上下文以便于恢复。注意如果中断提升了特权级需要使用不同的特权栈，那么就还要在新的栈中保存旧的栈地址。如下图。

中断处理程序结束后使用特权指令 iret 返回。这个指令作用是从当前栈顶处依次弹出 32 位数据分别到寄存器 EIP、CS、EFLAGS，如果发生了特权级提升，返回时还会弹出 esp 和 ss。

还值得一提的是有些中断还会压栈中断错误码，但是iret不会弹出中断错误码。所以在中断处理程序中需要手动用栈指针跨过错 误码或将其弹出。

整个处理过程如下所示

硬件部分

对于硬件部分的过程不多赘述，一来这是记录操作系统软件实现，二来参考书中的硬件也有些过时了。但还是贴一个流程。

设备产生中断请求（IRQ）
        ↓
8259A 接收到 IRQ 信号
        ↓
是否被屏蔽？（IMR寄存器）
        ↓
   ┌────是────→ 忽略中断 ❌
   ↓
   否
        ↓
是否优先级最高？（IRR + ISR 判断）
        ↓
   ┌────否────→ 等待（排队）⏳
   ↓
   是
        ↓
8259A 向 CPU 发送 INTR 信号
        ↓
CPU 响应（发出 INTA）
        ↓
8259A 返回中断向量号
        ↓
CPU：
查 IDT → 跳转中断处理程序
        ↓
执行中断处理程序
        ↓
发送 EOI（End Of Interrupt）
        ↓
8259A 清除 ISR 标志
        ↓
允许下一个中断进入

0x03 实现

kernel.S 提供内核处理各个中断的入口，也就是中断描述符中的中断处理程序，主要是分发路由功能。

[bits 32]
%define ERROR_CODE nop     ; 若在相关的异常中CPU已经自动压入了错误码，这里不做操作
%define ZERO push 0        ; 定义默认的压入错误码操作

extern put_str
extern intrHandler_table

section .data

global intr_entry_table
intr_entry_table:
    %macro VECTOR 2             ;这里定义一个多行宏作为 intr_handler，后面的2是指传递两个参数,里面的%1,%2代表参数
    section .text
    intr%1entry:
    ; ============= 默认压入错误码或者空操作，保证最后都会需要跨过一个4字节来进行iret
    %2
    ; ============= 保存上下文
    push ds
    push es
    push fs
    push gs
    pushad                    ;压入通用寄存器
    ; ============= 发送中断结束信号
    mov al, 0x20              ; 中断结束命令EOI，这里R为0,SL为0,EOI为1
    mov dx, 0xa0              ; 中断控制器从片端口
    out dx, al                ; 向从片发送
    mov dx, 0x20              ; 中断控制器主片端口
    out dx, al                ; 向主片发送
    ; ============= 压入中断向量号并调用中断处理函数
    push %1
    call [intrHandler_table + %1*4]
    jmp intr_exit
    ; ============= intr_entry_table数组(编译后会将相同的section合并成一个段)
    section .data
    dd intr%1entry             ;存储各个中断入口程序的地址,
    %endmacro                  ;多行宏结束标志


section .text
global intr_exit
intr_exit:
    ; =========== 恢复上下文
    add esp, 4                 ; 跳过中断号
    popad
    pop gs
    pop fs
    pop es
    pop ds
    add esp, 4                ; 跳过error_code
    ; =========== 返回
    iretd


VECTOR 0x00,ZERO
...
VECTOR 0x1e,ERROR_CODE
VECTOR 0x1f,ZERO
VECTOR 0x20,ZERO

interrupt.c 主要是准备好 IDT 和中断处理程序的实际实现(暂时只处理时钟中断以测试)

#include "interrupt.h"
#include "global.h"
#include "stdint.h"
#include "io.h"

#define IDT_DESC_CNT 0x21           //目前总支持的中断数
#define PIC_M_CTRL 0x20             //主片控制端口
#define PIC_M_DATA 0x21             //主片数据端口
#define PIC_S_CTRL 0xA0             //从片控制端口
#define PIC_S_DATA 0xA1             //从片数据端口

// 中断描述符结构体
struct IntrDesc{
    uint16_t func_offset_low_word;    // 中断处理函数地址低16位
    uint16_t selector;                // 代码段选择子
    uint8_t zero;                    // 不用考虑，必须为0
    uint8_t attribute;               // 类型 属性
    uint16_t func_offset_high_word;  // 中断处理函数地址高16位
};

// 定义 IDT
static struct IntrDesc IDT[IDT_DESC_CNT];  //idt是中断描述符表，本质上是中断描述符数组

char* intr_name[IDT_DESC_CNT];              //用于保存中断的名字
intrHandler_ptr intrHandler_table[IDT_DESC_CNT];       //定义中断处理程序地址数组
// 引用 kernel.S 中的 intr_entry_table, 每个成员为 intrHandler_ptr 类型(头文件里自定义的void*)
extern intrHandler_ptr intr_entry_table[IDT_DESC_CNT];

// 初始化中断控制器
static void initPIC(void)
{
    // 初始化主片
    outb(PIC_M_CTRL, 0x11);           //ICW1:边沿触发，级联8259,需要ICW4
    outb(PIC_M_DATA, 0x20);           //ICW2:起始中断向量号为0x20,也就是IRQ0的中断向量号为0x20
    outb(PIC_M_DATA, 0x04);           //ICW3:设置IR2接从片
    outb(PIC_M_DATA, 0x01);           //ICW4:8086模式，正常EOI，非缓冲模式，手动结束中断

    // 初始化从片
    outb(PIC_S_CTRL, 0x11);           //ICW1:边沿触发，级联8259,需要ICW4
    outb(PIC_S_DATA, 0x28);           //ICW2：起始中断向量号为0x28
    outb(PIC_S_DATA, 0x02);           //ICW3:设置从片连接到主片的IR2引脚
    outb(PIC_S_DATA, 0x01);           //ICW4:同上

    // 打开主片上的IR0,也就是目前只接受时钟产生的中断
    outb(PIC_M_DATA, 0xfe);           //OCW1:IRQ0外全部屏蔽
    outb(PIC_S_DATA, 0xff);           //OCW1:IRQ8~15全部屏蔽

    put_str("pic init done!\n");
}

// 创建中断描述符
static void makeIntrDesc(struct IntrDesc* p_gdesc, uint8_t attr, intrHandler_ptr function)
{  //参数分别为，描述符地址，属性，中断程序入口
    p_gdesc->func_offset_low_word = (uint32_t)function & 0x0000FFFF;
    p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;  // 内核代码
    p_gdesc->zero = 0;
    p_gdesc->attribute = attr;
    p_gdesc->func_offset_high_word = ((uint32_t)function & 0xFFFF0000) >> 16;
}

// 初始化中断描述符表
static void initIDT(void)
{
    for(int i = 0; i < IDT_DESC_CNT; i++)
    {
        makeIntrDesc(&IDT[i], IDT_DESC_ATTR_DPL0, intr_entry_table[i]);
    }
    put_str("init IDT done\n");
}


// 通用的中断处理函数，一般用在出现异常的时候处理
static void intrHandler_default(uint64_t vec_nr)
{
    // IRQ7和IRQ15会产生伪中断，IRQ15是从片上最后一个引脚，保留项，这俩都不需要处理
    if(vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f) return;
    put_str("int vector : 0x");       //这里仅实现一个打印中断号的功能
    put_uint(vec_nr);
    put_char('\n');
}


static void initIntrHandlerTable(void)
{
    for(int i = 0; i < IDT_DESC_CNT; i++)
    {
        // idt_table数组中的函数是在进入中断后根据中断向量号调用的
        intrHandler_table[i] = intrHandler_default;    //这里初始化为最初的默认处理函数, 后续再实现各个中断处理函数的注册
        intr_name[i] = "unknown";               //先统一赋值为unknown
    }
    intr_name[0] = "#DE Divide Error";
    intr_name[1] = "#DB Debug Exception";
    intr_name[2] = "NMI Interrupt";
    intr_name[3] = "#BP Breakpoint Exception";
    intr_name[4] = "#OF Overflow Exception";
    intr_name[5] = "#BR BOUND Range Exceeded Exception";
    intr_name[6] = "#UD Invalid Opcode Exception";
    intr_name[7] = "#NM Device Not Available Exception";
    intr_name[8] = "#DF Double Fault Exception";
    intr_name[9] = "Coprocessor Segment Overrun";
    intr_name[10] = "#TS Invalid TSS Exception";
    intr_name[11] = "#NP Segment Not Present";
    intr_name[12] = "#SS Stack Fault Exception";
    intr_name[13] = "#GP General Protection Exception";
    intr_name[14] = "#PF Page-Fault Exception";
    //intr_name[15]是保留项，未使用
    intr_name[16] = "#MF x87 FPU Floating-Point Error";
    intr_name[17] = "#AC Alignment Check Exception";
    intr_name[18] = "#MC Machine-Check Exception";
    intr_name[19] = "#XF SIMD Floating-Point Exception";
}

// 完成有关中断的所有初始化工作
void initInterrupt(void)
{
    put_str("initInterrupt start\n");
    initIDT();               //初始化中断描述符表
    initIntrHandlerTable();  //初始化中断处理函数表和中断名称
    initPIC();               //初始化8259A

    // 加载 IDT
    uint64_t idt_operand = (sizeof(IDT)-1) | ((uint64_t)((uint32_t)IDT << 16));   //这里(sizeof(IDT)-1)是表示段界限，占16位，然后我们的idt地址左移16位表示高32位，表示idt首地址
    asm volatile("lidt %0" : : "m" (idt_operand));
    put_str("init interrupt all done\n");
}

使用 qemu 运行如下

可以看到时钟中断的触发（时钟中断的向量号正是 0x20）