OS_lab——中断与异常

1. 理解中断与异常的机制
2. 调试?8259A?的编程基本例程
3. 调试时钟中断例程
4. 实现一个自定义的中断向量，功能可自由设想。

中断和异常

中断和异常都是程序执行过程中的强制性转移，转移到相应的处理程序。

中断通常因为硬件而发生，用来处理处理器外部的事件，?比如外围设备的请求。

异常通常在处理器执行指令过程中检测到错误时发生，比如除零， 页错误等

什么是中断

在实模式下，使用的是?BIOS?中断。BIOS?中断是由系统提供的使用?BIOS?的一组功能。中断存在中断向量表中。

在保护模式下，?BIOS?中断不能使用。原来的中断向量表被?IDT（中断描?述符表）?代替。

IDT

IDT?中的描述符有三种

? ??????中断门描述符（int?调用）

? ??????陷阱门描述符（call?调用）

? ??????任务门描述符(不常用，?Linux?根本没用)

IDT?的作用是将每一个中断向量和一个描述符对应起来。

中断产生有两种情况

? ???????硬件产生的外部中断

? ???????intn

intn?类型调用使用?IDT?寻找中断处理程序，类似调用门的使用

外部中断：?要建立硬件中断和中断向量号之间的对应关系

? ?????不可屏蔽中断（NMI?引脚接收，于?IF?是否被设置无关，对应中断向?量号为?2）

? ?????可屏蔽中断（INTR?接收，中断和向量号的关系由可编程中断控制器 8259 A?建立）

什么是异常

异常的三种类型

? ??????Fault：可更正的异常，?处理完返回到原指令

????????功能

????????? ?????根据优先级在同时发生的中断设备中选择应该处理的请求

????????? ?????通过对其寄存器的设置来屏蔽或打开相应中断?结构和工作原理

????????结构：两片级联的?8259A?与?CPU?相连，共挂十五个外设。

????????工作：

????????主?8259A?对应的端口地址是?20?h?和?21?h

????????从?8259A?对应的端口地址是 A0?h ?和?A1?h

????????设置?8259A：通过向相应的端口写入特定的?ICW

?

ICW??格式

分析

ICW?1 ?触发模式，选择中断向量种类，选择?8259A?架构

ICW?2?决定对应哪个中断向量

ICW 3?决定了传进哪个外设中断

ICW 4??正常为?01?h

写入?ICW?2?时， IRQ 0~?IRQ 7?对应?20?h ~?27?h；同理?IRQ 8 ~?IRQ?15?对应?28?h?~?2?F?h

io_delay 函数：延迟函数，等待操作完成

314 ~?322?屏蔽了所有的外部中断，此时写入的是?OCW

使用?OCW?的两种情况

???????屏蔽或打开外部中断

? ??????发送?EOI?给?8259A?通知它中断处理结束

屏蔽或打开外部中断，只需往?8259A?写入?OCW?1?即可

OCW?1 被写入中断屏蔽寄存器（IMR）

发送?EOI 给?8259A 通过往?20 h ?或 A0 h?写?OCW 2 来实现的

mov ?al ????, ?20h

out?20h/A0h,?al

如何建立IDT，如何实现一个自定义的中断

建立?IDT

IDT?段

/*

255 个描述符完全相同

SpuriousHandler : 在屏幕右上角打印红色"!"，然后死循环

*/

// SpuriousHandler?实现

//?加载IDTR

实现一个中断

/*

修改IDT ?--->?将80h?中断单独列出来?---> 新增一个函数来处理中断?UserIntHandler??在末尾iretd?指令返回

*/

新增一个函数

UserIntHandler?实现

3.??时钟中断例程

pmtest9.asm?部分代码展示

时钟中断处理程序

_ClockHandler:

ClockHandler???equ _ClockHandler - $$

inc byte?[gs:((80 * 0?+ 70) *?2)]??;?屏幕第?0?行, 第?70?列。

mov al,?20h

out 20h, al????????????;?发送?EOI

iretd

打开时钟中断

;mov???al, 11111111b ??; 屏蔽主?8259?所有中断

mov al, 11111110b ??; 仅仅开启定时器中断

out 021h, al???; 主?8259, OCW1.

call???io_delay



mov al, 11111111b ??; 屏蔽从?8259?所有中断

out 0A1h, al???; 从?8259, OCW1.

call???io_delay

IDT?表的修改

LABEL_IDT:

; 门????????????????????????目标选择子,??????????偏移,?DCount,?属性

%rep?32

Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate

%endrep

.020h: Gate SelectorCode32, ClockHandler, 0, DA_386IGate

%rep 95

Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate

%endrep

.080h: Gate SelectorCode32, UserIntHandler, 0, DA_386IGate

IdtLen equ $ - LABEL_IDT

IdtPtr dw IdtLen - 1 ; 段界限

dd 0 ; 基地址



; END?of?[SECTION?.idt]

开中断

call??Init8259A



int 080h

sti

jmp $

代码调试调试

在时钟中断处理程序?ClockHandler?中插入?Magic?Break：

_ClockHandler:

ClockHandler???equ _ClockHandler - $$

xchg bx,?bx

inc byte?[gs:((80 * 0?+ 70) *?2)]??;?屏幕第?0?行, 第?70?列。

mov al,?20h

out 20h, al????????????;?发送?EOI

iretd

调试截图展示如下：

尽管没有使用?int?指令直接跳转，因为外中断的特性，程序进入了设置好的?02h?中断，将?int 80h?设置的字符进行变化。??实验结果展示如下：

4. ??自定义的中断向量

自定义中断功能

int?80h?中断

功能说明：初始化时间字符串"20yy/mm/dd hh:mm:ss"为当前时间，?并输出在屏幕上

int 20h?中断（时间中断）

功能说明：将屏幕上已输出的时间字符串更新为当前时间

部分代码展示

int?80h?中断

LABEL_DATA:
_szTime               db  "20yy/mm/dd hh:mm:ss", 0
szTime         equ _szTime            - $$
DataLen        equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]
...

_UserIntHandler:
UserIntHandler equ _UserIntHandler - $$
    xor eax, eax

    xor ebx, ebx 
    xor esi, esi 
    xor edi, edi 
    mov esi, szTime ; 源数据偏移

    mov al,  9         ; 年
    out 70h, al
    in  al,  71h
    mov bl,  al        ; 十位
    shr bl, 4
    and al,  0fh       ; 个位
    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 2], ah  ; 赋值
    mov [esi + 3], al

    mov al,  8         ; 月
    out 70h, al
    in  al,  71h
    mov bl,  al        ; 十位
    shr bl, 4
    and al,  0fh       ; 个位
    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 5], ah  ; 赋值
    mov [esi + 6], al

    mov al,  7         ; 日
    out 70h, al
    in  al,  71h
    mov bl,  al        ; 十位
    shr bl, 4
    and al,  0fh       ; 个位
    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 8], ah  ; 赋值
    mov [esi + 9], al

    mov al, 4 ; 时 
    out 70h, al 
    in al, 71h 
    mov bl, al ; 十位 
    shr bl, 4 
    and al, 0fh ; 个位

    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 11], ah  ; 赋值
    mov [esi + 12], al

    mov al, 2         ; 分
    out 70h, al
    in  al,  71h
    mov bl,  al        ; 十位
    shr bl, 4
    and al,  0fh       ; 个位
    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 14], ah  ; 赋值
    mov [esi + 15], al

    mov al,  0         ; 秒
    out 70h, al
    in  al,  71h
    mov bl,  al        ; 十位
    shr bl, 4
    and al,  0fh       ; 个位
    mov ah,  bl
    add ax, 03030h    ; 转换为 ascii 码
    mov [esi + 17], ah  ; 赋值
    mov [esi + 18], al

    ; 下面显示一个字符串
    mov ah, 0Ch                ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov edi, (80 * 8 + 0) * 2  ; 目的数据偏移。屏幕第 8 行, 第 0 列。
    cld
.1:
    lodsb
    test   al, al
    jz     .2
    mov     [gs:edi], ax
    add    edi, 2
    jmp    .1
.2: ; 显示完毕

    iretd

int?20h?时间中断

_ClockHandler:

ClockHandler???equ _ClockHandler - $$

    xor eax, eax
    xor ebx, ebx



    mov al, ?9????????????????????; 年
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????;?十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov?[gs:((80 * 8 + 2) *?2)],?ah?;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 +?3)?*?2)],?al

    mov al, ?8????????????????????;?月
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????;?十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov?[gs:((80 * 8 + 5)?*?2)], ah?;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 +?6)?*?2)],?al

    mov al, ?7????????????????????;?日
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????; 十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov?[gs:((80 * 8 + 8) *?2)], ah?;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 + 9)?*?2)],?al

    mov al, ?4 ????????????????????; 时
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????;?十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov [gs:((80 *?8 +?11)?*?2)],?ah;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 +?12)?*?2)], al

    mov al,?2????????????????????;?分
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????;?十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov [gs:((80 *?8 +?14)?*?2)],?ah;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 +?15)?*?2)], al

    mov al, ?0????????????????????; 秒
    out 70h, al
    in ?al, ?71h
    mov bl, ?al???????????????????;?十位
    shr?bl,?4
    and al, ?0fh ??????????????????; 个位
    mov ah, ?bl
    add ax,?03030h ???????????????; 转换为?ascii?码
    mov [gs:((80 *?8 +?17)?*?2)],?ah;?更改屏幕显示
    mov?[gs:((80 * 8 +?18)?*?2)], al

    mov al,?20h
    out 20h, al???????????????????;?发送?EOI

    iretd

中断调用

; 下面显示一个字符串
push???szPMMessage
call???DispStr
add????esp, 4

; 调用中断向量
int????080h
sti
jmp????$

实验结果展示

成功输出当前时间，?且不断进行更新。

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1. 什么是中断，什么是异常
2. 8259A?的工作原理是怎样的？怎么给这些中断号的处理向量初始化值？
3. 如何建立?IDT，如何实现一个自定义的中断
4. 如何控制时钟中断，为什么时钟中断时候，没有看到?int?的指令？
5. 简要解释一下?IOPL?的作用与基本机理

1. ??什么是中断，什么是异常？

中断包括外部中断和来自于指令?int?n?的中断（n?即向量号），其中外部中断又分为不可?屏蔽中断（NMI?引脚接收，于?IF?是否被设置无关，对应中断向量号为?2）和可屏蔽中断（INTR?接收， 中断和向量号的关系由可编程中断控制器 8259A ?建立）。中断是由硬件设备产生的，?从物理上说就是电信号，?它们通过中断控制器（8259A）发送给?CPU，接着?CPU 判断收到的?中断来自于哪个硬件设备（定义在内核中），最后由?CPU?发送给内核， 由内核处理中断。

异常包括?Fault?、Trap 和?Abort，分别对应出错、陷入和编程异常。出错保存的?EIP 指向?触发异常的那条指令，也就是说当从异常返回时， 出错会重新执行那条指令，如缺页异常就?是是一种出错，?所以当缺页异常处理完成之后，还会去尝试重新执行那条触发异常的指令；??陷入保存的?EIP 指向触发异常的那条指令的下一条指令，陷入不会重新执行因为异常的指令；?可编程中断可由编程者用 int ?指令来触发，和陷入类似，从此类异常返回时也是返回到触发?异常的下一条指令。

中断和异常的相同点在于： 最后都是由?CPU?发送给内核，?由内核去处理；处理程序的流?程设计上是相似的。两者的不同点在于：?产生源不相同， 异常是由?CPU 产生的，?而中断是由?硬件设备产生的； 中断是异步的，这意味着中断可能随时到来； 而异常是?CPU?产生的， 所以是时钟同步的； 当处理中断时， 处于中断上下文中；处理异常时， 处于进程上下文中。?

2. ??8259A?的工作原理是怎样的？怎么给这些中断号的处理向量初始化值？

8259A?的结构如下图所示， 它的功能是根据优先级在同时发生的中断设备中选择应该处?理的请求，并通过对其寄存器的设置来屏蔽或打开相应中断。

通过初始化编程向?8259A?写入相应的初始化命令?ICW，可以使芯片处于一个规定的基本?工作方式，?并在此方式下进行工作。8259A?的初始化命令字共有?4 个?ICW1-ICW4，进行初始?化时要求 ICW1-ICW4 ?按如下图所示的顺序写入。其中，?ICW1?触发模式，选择中断向量种?类，选择?8259A 架构；ICW2?决定对应哪个中断向量；ICW3?决定了传进哪个外设中断；?ICW4?正常为?01h。

当?8259A?开始工作时，一个外部中断请求信号会首先通过中断请求线?IRQ?传输到?IMR （中断屏蔽寄存器），IMR 根据所设定的?OCW1，决定是将其丢弃还是接受。使用?OCW?的两?种情况，一种是用于屏蔽或打开外部中断，另一种发送?EOI 给?8259A 通知它中断处理结束，?这里使用的是前者。

如果可以接受，则?8259A 将?IRR（中断请求暂存寄存器）中代表此?IRQ?的位置?1，以表?示此?IRQ 有中断请求信号，并同时向?CPU?的?INTR（中断请求）管脚发送一个信号，在等待?CPU?转到中断服务的过程中可能有其余的?IRQ?线送来中断请求，这些请求都会接受?IMR?的?挑选， 如果没有被屏蔽，?那么这些请求也会被放到?IRR ?中，也即 IRR?中代表它们的?IRQ?的?相应位会被置?1。当?CPU 执行完一条指令时后， 会检查一下?INTR 管脚是否有信号，如果发?现有信号， 就会转到中断服务， 此时，CPU 会立即向?8259A?芯片的?INTA（中断应答）?管脚?发送一个信号。当芯片收到此信号后，判优部件开始工作，它在?IRR?中，挑选优先级最高的?中断， 将中断请求送到?ISR（中断服务寄存器），也即将?ISR?中代表此?IRQ?的位置位，并将?IRR?中相应位置?0，表明此中断正在接受?CPU?的处理。同时，将它的编号写入中断向量寄存?器?IVR?的低三位（IVR?是由?ICW2?所指定的）。这时，CPU?还会送来第二个?INTA?信号，当?收到此信号后， 芯片将?IVR?中的内容， 也就是此中断的中断号送上通向?CPU?的数据线。

3. ??如何建立?IDT，如何实现一个自定义的中断？

1）将?IDT 放入一个单独的段中， 定义了?IDT 所对应的中断向量的偏移。

2）定义偏移定义

上图展现的是时钟中断处理程序。其功能为在时钟中断到来时，将[gs:((80 * 0?+ 70)*2]位?置的字符的值增?1。

3）调用中断，?开中断

4. ??如何控制时钟中断，?为什么时钟中断的时候没有看到?int 指令？

控制时钟中断的方法就是在?IDT 表中的中断向量号单独写出来，对应一个中断处理的函?数，在函数里定义时钟中断的处理过程， 比如此例中就单独定义了?020h?中断和?080h?中断：

没有看到?int?的原因是我们在?289?行进行了开中断，时钟中断是外部中断，?每次中断都?会通过?IRQ?中断请求线来请求中断， 不需要?int 调用。

5. ??简要解释一下?IOPL?的作用与基本机理

（1）IOPL?的作用

保护模式通过?IOPL?和?I/O?许可位图来限制用户进程进行的?I/O?操作。 IOPL?是?I/O?保护机制的?关键之一，位于寄存器?eflags?的第?12?、13?位。指令?in?、ins?、out?、outs?、cli?、sti?只有在?CPL??<=?IOPL?时才能执行。这些指令被称为?I/O?敏感指令（I/O Sensitive?Instructions）。如果低特权?级的指令试图访问这些?I/O?敏感指令将会导致常规保护错误（#GP）。

（2）IOPL?的运行机理

I/O?位图基址是一个以?TSS?的地址为基址的偏移，?指向的便是?I/O?许可位图。之所以叫做位?图，是因为它的每一位表示一个字节的端口地址是否可用。如果某一位为?0，则表示此位对?应的端口号可用，为?1?则不可用。由于每一个任务都可以有单独的?TSS，所以每一个任务可?以有它单独的?I/O?许可位图。

以教材例子演示：

由于?I/O?许可位图开始有?12?字节内容为?0FFh，即有?12×8=96?位被置为?1，所以从端口?00h?到?5Fh?共?96?个端口地址对此任务不可用。同理，接下来的?1?字节只有第?1?位（从?0?开始数）?是?0，表示这一位对应的端口（61h）可用。如果?I/O?位图基址大于或等于?TSS?段界限，就表示没有?I/O?许可位图， 如果?CPLIOPL，则所有?I/O?指令都会引起异常。 I/O?许可位?图的使用使得即便在同一特权级下不同的任务也可以有不同的?I/O?访问权限。