【自制操做系统08】中断

时间 2020-02-22

标签自制操做系统08 中断繁體版

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因为中断这块的知识和代码都占较大篇幅，所以分红两章来说，本章不包含任何中断的代码，只讲理论部分，以及中断的大概流程。代码实现部分由下一章来说解html

【自制操做系统09】中断的代码实现linux

1、到目前为止的程序流程图

为了让你们清楚目前的程序进度，画了到目前为止的程序流程图，以下。git

2、什么是中断

这里咱们先从形象的角度来描述，中断就是让操做系统中止手中正在进行的工做，先把中断信号对应的处理程序执行完毕，再回到以前的程序中继续进行，这样一个机制。编程

一个很形象的说法是，咱们的操做系统就是 中断驱动 的，能够把操做系统简单理解为一个 死循环，无时无刻不在等待中断的来临，被动地执行相应的任务。数组

while(true){
    操做系统代码
}

3、中断的分类

外部中断

外部中断经过两个引脚链接到 CPU 上，一个是可屏蔽中断 INTR，一个是不可屏蔽中断 NMIide

INTR：硬盘、打印机、网卡等设备发出的中断信号，可经过 eflags 寄存器的 IF 位将全部这些外部设备的中断屏蔽
NMI：电源掉电、内存读写错误、总线奇偶校验错误等灾难性的错误，不可屏蔽，CPU 必须马上处理

对于可屏蔽中断，Linux 的处理方式是分红 上半部 和 下半部。上半部执行时关闭中断，马上执行完毕；下半部执行时打开中断，此时若是有其余中断进来，则让给其余中断（也是上半部执行完毕）。学习

内部中断

内部中断可分为软中断和异常，两者均是不可屏蔽的（即不受 eflags 的 IF 位影响）测试

软中断：就是软件发起的中断，最多见的也是咱们以后进行系统调用的，就是 int 8位当即数，可表示 256 中中断。还有一些不经常使用的，甚至能够叫作异常，下面简单列出
- int3：中断向量号3，调试断点指令
- into：中断向量号4，中断溢出指令
- bound：中断向量号5，检查数组索引越界指令
- ud2：中断向量号6，未定义指令，经常使用于软件测试中主动发起这个中断
异常：指令执行期间 CPU 内部产生的错误引发，如分母为 0 将发起 6 号中断（异常），未定义的指令发起 6 号中断
- Fault（故障）：可恢复的错误。发生此中断时，CPU 将机器状态恢复到异常以前的状态，以后调用中断处理程序，结束后返回。常见的如 缺页异常
- Trap（陷阱）：有意的异常。一般是调试程序中用 int3 指令主动触发。
- Abort（终止）：不可恢复的异常。直接将此程序从进程表中去掉。

4、中断号

咱们知道一个中断对应着一个 中断号（中断向量号），下面列表说明操作系统

中断号	含义	来源	类型	是否有错误码
0	divide error	DIV and IDIV instructions	Fault	无
1	debug	any code or data reference	Fault/Trap	无
2	NMI Interrupt	NMI	Interrupt	无
3	Breakpoint	INT3 instruction	Trap	无
4	Overflow	INTO instruction	Trap	无
5	bound range exceeded	BOUND instruction	Fault	无
6	invalid opcode	UD2 instruction or reserved opcode.1	Fault	无
7	device not available	floationg-point or WAIT/FWAIT instruction	Fault	无
8	double fault	any instruction that can generate an exception, an NMI, or an INTR	Fault	Y(0)
9	CoProcessor Segment Overrun	Floating-point instruction.2	Fault	无
10	invalid TSS	task switch or TSS access	Fault	Y
11	segment not present	loading segment registers or accessing system segments	Fault	Y
12	stack segment fault	stack operations and SS register loads	Fault	Y
13	general protection	any memory reference and other protection checks	Fault	Y
14	page fault	any memory reference	Fault	Y
15		reserved
16	floating-point error	floating-point or WAIT/FWAIT instruction	Fault	无
17	alignment check	any data refrence in memory.3	Fault	Y(0)
18	machine check	error codes and source are model dependent.4	Fault	无
19	SIMD floating-point exception	SIMD floating-point instruction5	Fault	无
20-31	reserved
32-255	maskable interrupts	External Interrupt from INTR pin or INT n instruction	Interrupt	无

5、中断描述符表 IDT

咱们先来回顾一下上一讲【自制操做系统07】深刻浅出特权级说的四种门描述符

门	type值	存在位置	用法
任务门	0101	GDT、LDT、IDT	与TSS配合实现任务切换，不过大多数操做系统都不这么玩
中断门	1110	IDT	进入中断后屏蔽中断（eflags的IF位置0），linux利用此实现系统调用，int 0x80
陷阱门	1111	IDT	进入中断后不屏蔽中断
调用门	1100	GDT、LDT	用户用call或jmp指令从用户进程进入0特权级

你看，正如上一讲所说，中断门进入后先是屏蔽了中断，也就是中断例程的 上半部，程序中能够随时打开中断，也就天然到了 下半部，这就是 linux 系统的处理方式。debug

如何找到中断描述符表呢？你猜的没错，正如找 段描述符表，页表等同样，有个 IDTR 寄存器存储它的位置（0-15位是表界限，16-47位表示表基址），有个 lidt 指令负责加载 IDTR。经典作法，咱们见过太屡次了，就很少说啦，不理解的能够从本系列开头开始看哟。

6、中断处理过程

上图就表示了整个中断处理的过程，不过还有几处图中没有显示

特权级检查：CPL <= 门描述符DPL && CPL > 目标代码段DPL

栈的处理：将 CS、EIP、EFLAGS、SS、ESP 寄存器的值压入中断处理程序使用的栈

7、8259A芯片

咱们以前说过，外部设备发出中断信号，进入 CPU 的 INT 引脚上。但若是有多个外部设备近乎同时发送中断信号，CPU 先处理哪个呢？未被处理的中断信号又记录在哪里呢？这时候就须要有个 中间的代理设备 来负责这个事情。

这个代理设备叫作 可编程中断控制器 PIC，其中 8259A 芯片是最多见的一种，咱们这里把它的内部结构展现出来，因为是硬件相关，就不展开细说了，但因为以后要为其进行编程，因此你们先有个印象。

8、中断代码实现

因为到此篇幅过长，且中断代码的实现也是须要很大篇幅描述的，包括可编程中断控制器的初始化，IDT 的初始化，以及中断例程代码的编写，因此将放在下一章进行讲解。

【自制操做系统09】中断的代码实现

写在最后：开源项目和课程规划

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参考书籍

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项目开源

项目开源地址：https://gitee.com/sunym1993/flashos

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