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Bran的内核开发教程(bkerndev)-08 中断服务程序(ISR)

Raina_RLN 人气:4

中断服务程序(ISR)

  中断服务程序(ISR)用于保存当前处理器的状态, 并在调用内核的C级中断处理程序之前正确设置内核模式所需的段寄存器。而工作只需要15到20行汇编代码来处理, 包括调用C中的处理程序。我们还需要将IDT条目指向正确的ISR以正确处理异常。

  异常是导致处理器无法正常执行的特殊情况, 比如除以0结果是未知数或者非实数, 因此处理器会抛出异常, 这样内核就可以阻止进程或任务引起任何问题。如果处理器发现程序正尝试访问不允许其访问的内存, 则会引起一般保护错误。当你设置内存页时, 处理器将会产生页面错误, 但这是可以恢复的: 你可以将内存页映射到错误的地址(但这需要另开一篇教程来讲解)。

  IDT的前32个条目与处理器可能产生的异常对应, 因此需要对其进行处理。某些异常会将另一个值压入堆栈中: 错误代码, 该值为每个异常的特定代码。

Exception # Description Error Code?
0 Division By Zero Exception No
1 Debug Exception No
2 Non Maskable Interrupt Exception No
3 Breakpoint Exception No
4 Into Detected Overflow Exception No
5 Out of Bounds Exception No
6 Invalid Opcode Exception No
7 No Coprocessor Exception No
8 Double Fault Exception Yes
9 Coprocessor Segment Overrun Exception No
10 Bad TSS Exception Yes
11 Segment Not Present Exception Yes
12 Stack Fault Exception Yes
13 General Protection Fault Exception Yes
14 Page Fault Exception Yes
15 Unknown Interrupt Exception No
16 Coprocessor Fault Exception No
17 Alignment Check Exception (486+) No
18 Machine Check Exception (Pentium/586+) No
19 to 31 Reserved Exceptions No

  之前提到, 一些异常会错误码压入堆栈中, 为了降低复杂度, 我们为尚未压入错误码的ISR将伪错误码0压入堆栈中, 这样可以保持统一的堆栈结构。为了跟踪触发的是哪个异常, 我们将中断号也压入堆栈。我们使用汇编操作码"cli"来禁用中断并防止触发IRQ, 否则可能会导致内核冲突。为了节省内核空间, 生成较小的二进制文件, 我们让每个ISR的存根(stub)跳转到通用isr_common_stub函数。isr_common_stub用于将处理器的状态保存到堆栈上, 将当前堆栈地址压入堆栈(为我们的C处理程序提供堆栈), 调用C中的fault_handler函数, 最后恢复堆栈的状态。在"start.asm"预留的位置中添加下面的代码, 填写所有的32个ISR:

start.asm

; 在之后的教程中, 我们将添加中断
; 这里是中断服务程序(ISR)
global _isr0
global _isr1
global _isr2
global _isr3
global _isr4
global _isr5
global _isr6
global _isr7
global _isr8
global _isr9
global _isr10
global _isr11
global _isr12
global _isr13
global _isr14
global _isr15
global _isr16
global _isr17
global _isr18
global _isr19
global _isr20
global _isr21
global _isr22
global _isr23
global _isr24
global _isr25
global _isr26
global _isr27
global _isr28
global _isr29
global _isr30
global _isr31

;  0: 除以零异常
_isr0:
    cli
    push byte 0    ; 一个ISR占位符, 会弹出一个为错误码来保持一个统一的堆栈框架
    push byte 0
    jmp isr_common_stub

;  1: 调试异常
_isr1:
    cli
    push byte 0
    push byte 1
    jmp isr_common_stub
    
;  2: 不可屏蔽的中断异常
_isr2:
    cli
    push byte 0
    push byte 2
    jmp isr_common_stub

;  3: Int 3异常
_isr3:
    cli
    push byte 0
    push byte 3
    jmp isr_common_stub

;  4: INTO异常
_isr4:
    cli
    push byte 0
    push byte 4
    jmp isr_common_stub

;  5: 越界异常
_isr5:
    cli
    push byte 0
    push byte 5
    jmp isr_common_stub

;  6: 无效的操作码异常
_isr6:
    cli
    push byte 0
    push byte 6
    jmp isr_common_stub

;  7: 协处理器不可用异常
_isr7:
    cli
    push byte 0
    push byte 7
    jmp isr_common_stub

;  8: 双重故障异常(带错误码！)
_isr8:
    cli
    push byte 8        ; 注意我们不需要在此压入一个值到堆栈中, 它已经压入了一个。
                   ; 会弹出错误码的异常可使用这类存根
    jmp isr_common_stub

;  9: 协处理器段溢出异常
_isr9:
    cli
    push byte 0
    push byte 9
    jmp isr_common_stub

; 10: 错误的TSS异常(带错误码！)
_isr10:
    cli
    push byte 10
    jmp isr_common_stub

; 11: 段不存在异常(带错误码！)
_isr11:
    cli
    push byte 11
    jmp isr_common_stub

; 12: 堆栈故障异常(带错误码！)
_isr12:
    cli
    push byte 12
    jmp isr_common_stub

; 13: 常规保护故障异常(带错误码！)
_isr13:
    cli
    push byte 13
    jmp isr_common_stub

; 14: 页面错误异常(带错误码！)
_isr14:
    cli
    push byte 14
    jmp isr_common_stub

; 15: 保留异常
_isr15:
    cli
    push byte 0
    push byte 15
    jmp isr_common_stub

; 16: 浮点异常
_isr16:
    cli
    push byte 0
    push byte 16
    jmp isr_common_stub

; 17: 对齐检查异常
_isr17:
    cli
    push byte 0
    push byte 17
    jmp isr_common_stub

; 18: 机器检查异常
_isr18:
    cli
    push byte 0
    push byte 18
    jmp isr_common_stub

; 19: 保留
_isr19:
    cli
    push byte 0
    push byte 19
    jmp isr_common_stub

; 20: 保留
_isr20:
    cli
    push byte 0
    push byte 20
    jmp isr_common_stub

; 21: 保留
_isr21:
    cli
    push byte 0
    push byte 21
    jmp isr_common_stub

; 22: 保留
_isr22:
    cli
    push byte 0
    push byte 22
    jmp isr_common_stub

; 23: 保留
_isr23:
    cli
    push byte 0
    push byte 23
    jmp isr_common_stub

; 24: 保留
_isr24:
    cli
    push byte 0
    push byte 24
    jmp isr_common_stub

; 25: 保留
_isr25:
    cli
    push byte 0
    push byte 25
    jmp isr_common_stub

; 26: 保留
_isr26:
    cli
    push byte 0
    push byte 26
    jmp isr_common_stub

; 27: 保留
_isr27:
    cli
    push byte 0
    push byte 27
    jmp isr_common_stub

; 28: 保留
_isr28:
    cli
    push byte 0
    push byte 28
    jmp isr_common_stub

; 29: 保留
_isr29:
    cli
    push byte 0
    push byte 29
    jmp isr_common_stub

; 30: 保留
_isr30:
    cli
    push byte 0
    push byte 30
    jmp isr_common_stub

; 31: 保留
_isr31:
    cli
    push byte 0
    push byte 31
    jmp isr_common_stub

; 我们在这里调用C函数
; 我们需要让汇编器知道"_fault_handler"在另一个文件中
extern _fault_handler

; 这是我们ISR的通用存根
; 它用于保存处理器的状态, 设置内核模式段, 调用C里的故障处理程序
; 最后恢复堆栈框架
isr_common_stub:
    pusha
    push ds
    push es
    push fs
    push gs
    mov ax, 0x10   ; 加载内核数据段描述符
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov eax, esp   ; 将指向堆栈的指针压入堆栈
    push eax
    mov eax, _fault_handler
    call eax       ; 特殊调用, 保存"eip"寄存器的值
    pop eax
    pop gs
    pop fs
    pop es
    pop ds
    popa
    add esp, 8     ; 清除压入的错误码和ISR号
    iret           ; 将CS、EIP、EFLAGS、SS和ESP一同弹出

  创建一个新文件, 命名为"isrs.c"。别忘了在"build.bat"文件中添加一行GCC命令编译该文件。将文件"isrs.o"添加到LD文件列表中, 这样才能将其链接到内核中。"isrs.c"文件很简单: 首先是常规的#include行, 声明"start.asm"中每个ISR的原型, 将IDT条目指向正确的ISR, 最后创建一个中断处理程序来服务我们所有的异常。

isrs.c

#include <system.h>

/* 这里是所有异常处理程序的原型: 
 * IDT的前32个条目由英特尔保留, 
 * 用于处理异常 */
extern void isr0();
extern void isr1();
extern void isr2();
extern void isr3();
extern void isr4();
extern void isr5();
extern void isr6();
extern void isr7();
extern void isr8();
extern void isr9();
extern void isr10();
extern void isr11();
extern void isr12();
extern void isr13();
extern void isr14();
extern void isr15();
extern void isr16();
extern void isr17();
extern void isr18();
extern void isr19();
extern void isr20();
extern void isr21();
extern void isr22();
extern void isr23();
extern void isr24();
extern void isr25();
extern void isr26();
extern void isr27();
extern void isr28();
extern void isr29();
extern void isr30();
extern void isr31();

/* 我们将IDT的前32个条目设置为前32个ISR
 * 这里我们无法使用for循环, 因为无法获取与之对应的函数名
 * 我们将访问标志设置为0x8E, 代表条目存在, 并在Ring 0(内核级别)中运行 
 * 并将低5位设置为要求的"14", 用十六进制的"E"表示 */
void isrs_install()
{
    idt_set_gate(0, (unsigned)isr0, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(1, (unsigned)isr1, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(2, (unsigned)isr2, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(3, (unsigned)isr3, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(4, (unsigned)isr4, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(5, (unsigned)isr5, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(6, (unsigned)isr6, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(7, (unsigned)isr7, 0x08, 0x8E);

    idt_set_gate(8, (unsigned)isr8, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(9, (unsigned)isr9, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(10, (unsigned)isr10, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(11, (unsigned)isr11, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(12, (unsigned)isr12, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(13, (unsigned)isr13, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(14, (unsigned)isr14, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(15, (unsigned)isr15, 0x08, 0x8E);

    idt_set_gate(16, (unsigned)isr16, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(17, (unsigned)isr17, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(18, (unsigned)isr18, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(19, (unsigned)isr19, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(20, (unsigned)isr20, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(21, (unsigned)isr21, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(22, (unsigned)isr22, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(23, (unsigned)isr23, 0x08, 0x8E);

    idt_set_gate(24, (unsigned)isr24, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(25, (unsigned)isr25, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(26, (unsigned)isr26, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(27, (unsigned)isr27, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(28, (unsigned)isr28, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(29, (unsigned)isr29, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(30, (unsigned)isr30, 0x08, 0x8E);
    idt_set_gate(31, (unsigned)isr31, 0x08, 0x8E);
}

/* 这里是一个简单的字符串数组, 包含与每个异常对应的消息
 * 我们通过这种方式来获得对应的消息: 
 * exception_message[interrupt_number] */
unsigned char *exception_messages[] =
{
    "Division By Zero",
    "Debug",
    "Non Maskable Interrupt",
    "Breakpoint",
    "Into Detected Overflow",
    "Out of Bounds",
    "Invalid Opcode",
    "No Coprocessor",

    "Double Fault",
    "Coprocessor Segment Overrun",
    "Bad TSS",
    "Segment Not Present",
    "Stack Fault",
    "General Protection Fault",
    "Page Fault",
    "Unknown Interrupt",

    "Coprocessor Fault",
    "Alignment Check",
    "Machine Check",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",

    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved",
    "Reserved"
};

/* 我们所有的异常处理中断服务程序都将指向此函数, 这会告诉我们发生了什么异常
 * 现在我们只是通过死循环来暂停系统
 * 当所有ISR被用作“锁定”机制时，它们会禁用中断，以防止IRQ的发生并破坏内核数据结构 */
void fault_handler(struct regs *r)
{
    /* 判断是否是中断号为0~31的错误 */
    if (r->int_no < 32)
    {
        /* 显示发生的异常的描述
         * 本教程中我们简单地使用一个死循环来暂停系统 */
        puts(exception_messages[r->int_no]);
        puts(" Exception. System Halted!\n");
        for (;;);
    }
}

  等一下, 在fault_handler函数的参数中有一个新的结构体struct regs我们还没有定义。regs向C代码展示了堆栈的框架结构。还记得吗, 我们在"start.asm"中我们将指向堆栈本身的指针压入堆栈, 这样我们就可以从处理程序中获取错误码和中断号。这种设计方式让我们能使用一个C程序来处理不同的ISR, 并可以确定发生的是哪个异常或中断。

  在"system.h"中定义堆栈框架:

system.h

/* 这定义了ISR运行后的堆栈结构 */
struct regs
{
    unsigned int gs, fs, es, ds;      /* 这些段最后压入 */
    unsigned int edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax;  /* 通过"pusha"压入栈中 */
    unsigned int int_no, err_code;
    unsigned int eip, cs, eflags, useresp, ss;   /* 由处理器自动压入堆栈 */ 
};

  打开"system.h"文件, 添加reg结构体的定义和isrs_install函数原型, 以便我们在"main.c"中调用。最后, 在main函数中安装IDT的后面调用isrs_install。现在可以在我们新的内核中测试一下我们的异常处理程序了。

  可选操作: 在"main.c"中添加一些测试代码, 该代码进行除以0操作。当处理器遇到该错误, 将会产生"Divide By Zero"异常, 并在屏幕上打印。测试成功后, 你可以删除这些测试代码。测试结果如下:

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