文章目录
- 前言
- 前置知识
- 中断概念
- 中断分类
- 实验操作
- 实验一
- 实验二
- 实验三
前言
博客记录《操作系统真象还原》第七章实验的操作~
实验环境：ubuntu18.04+VMware ， Bochs下载安装
实验内容：
- 编写中断处理程序（ 操作 8259A 打开中断）。
- 改进中断处理程序（在汇编版本的 intrXXentry 中调用 C 语言版本的中断处理函数）。
- 用计数器/定时器 8253 来设置时钟中断发生的频率。（给中断信号提速）。
前置知识
中断概念
中断处理(中断)的概念：由于 CPU 获知了计算机中发生的某些事，CPU 暂停正在执行的程序，转而去执行处理该事件的程序， 当这段程序执行完毕后，CPU 继续执行刚才的程序。整个过程称为中断处理，也称为中断。
OS 操作系统是中断驱动的。没有中断，操作系统几乎什么都做不了！
中断分类
中断可以分为以下2种类型。
- 外中断：来自 CPU 外部的中断就称为外部中断。
- 内中断：来自 CPU 内部的中断称为内部中断。
中断机制的本质：中断机制的本质是传入一个中断信号后，调用相应的中断处理程序。所以，CPU 将来自外部设备、内部指令的各种中断类型都归结为一种管理方式，即为每个中断信号分配一个整数，用此整数作为中断的 ID（整数即中断向量），然后用此 ID 作为中断描述符表中的索引，从而找到对应的表项，进而从中找到对应的中断处理程序。
外中断
外部中断是指来自 CPU 外部的中断，而这个外部的中断源一定是某个硬件。因此，外部中断又称为硬件中断。
外部硬件的中断是通过两根信号线通知 CPU 的，分别是INTR（INTeRrupt）和 NMI（Non Maskable Interrupt）。如下图所示
因为任务有轻重缓急，因此可以再细分位可屏蔽中断（maskable interrupt）和不可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。
-
可屏蔽中断
概念：此外部设备发出的中断，CPU 可以不理会，因为它不会让系统宕机。
【注】CPU也可以理会，把中断分为上半部和下半部分开处理。 -
不可屏蔽中断
概念：紧急的中断，严重可让让 CPU 宕机。
中断处理流程：CPU 收到中断后，需要得知道发生了什么事情才能执行相应的处理办法。这是通过中断向量号进而查中断向量表或中断描述符表（中断向量表是实模式下的中断处理程序数组，在保护模式下已经被中断描述符表代替）来实现的。
内中断
内部中断可分为软中断和异常。
- 软中断：软中断是指由软件主动发起的中断。（ex. “int 8 位立即数”）
- 异常：异常是指令执行期间 CPU 内部产生的错误引起的。（ex. “int3”）
实验操作
实验一
开启中断流程
- init_all 函数用来初始化所有的设备及数据结构。
- init_all 调用 idt_init 初始化中断相关的内容。
- 初始化分为2个部分完成，分别是 pic_init 和 idt_desc_init。其中，pic_init (Programmable Interrupt Controller )用来初始化可编程中断控制器 8259A ，ide_desc_init 用来初始化中断描述符表 IDT。
- idt_init 完成，便加载 IDT 啦
实验1用汇编语言实现中断处理程序，该程序保存在 kernel.S 文件中。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim kernel.S
完成了中断处理程序的编写，咱现在要把它们安装到中断描述符表中。即，创建中断描述符表 IDT，安装中断处理程序。该程序保存在 interrupt.c 文件中（文件 interrupt.c 包含目前有关中断的内容）。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim interrupt.c
完成中断相关的数据准备，接下来需要设置中断代理 8259A ，这里用到内联汇编实现端口 I/O 函数。io.h 声明有关端口操作的函数定义。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/lib/kernel$ sudo vim io.h
接着，需要定义初始化相关的工作的文件，即init_all。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim init.c
init_all 是由 main.c 中的主函数 main 调用的，更新 main 函数。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim main.c
完成剩下文件的创建
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim global.h
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim init.h
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim interrupt.h
查看kernel下文件
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ ls
global.h init.h interrupt.h kernel.S
init.c interrupt.c kernel.bin main.c
新建 build 文件夹存放输出文件（将所有目标文件和编译后的内核文件）
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo mkdir build
完成基本文件创建工作后，现在进入到编译、链接、写入磁盘的步骤。
编译工作
sudo nasm -f elf -o build/print.o lib/kernel/print.S
sudo nasm -f elf -o build/kernel.o kernel/kernel.S
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo nasm -f elf -o build/print.o lib/kernel/print.S
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo nasm -f elf -o build/kernel.o kernel/kernel.S
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/main.o kernel/main.c
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/interrupt.o kernel/interrupt.c
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/init.o kernel/init.c
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/main.o kernel/main.c
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/interrupt.o kernel/interrupt.c
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/init.o kernel/init.c
链接工作
这里注意新 kernel.bin 的目录，是在 build 目录下
sudo ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o build/kernel.bin build/main.o build/init.o build/interrupt.o build/print.o build/kernel.o
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o build/kernel.bin build/main.o build/init.o build/interrupt.o build/print.o build/kernel.o
写入磁盘
sudo dd if=/home/cooiboi/bochs/build/kernel.bin of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo dd if=/home/cooiboi/bochs/build/kernel.bin of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
14+1 records in
14+1 records out
7236 bytes (7.2 kB, 7.1 KiB) copied, 0.00014881 s, 48.6 MB/s
如果硬盘内容存在问题可以删掉重新写入，下面是之前写入的内容（贴出来方便实现）
sudo dd if=/home/cooiboi/bochs/boot/mbr.bin of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc
sudo dd if=/home/cooiboi/bochs/boot/loader.bin of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img bs=512 count=3 seek=2 conv=notrunc
启动Bochs
sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk
让我们看看安装后的中断描述符的样子八！命令：info idt
- 第一列是中断门描述符的序号，共 0x20 个。
Interrupt Gate target是门描述符中所指向的中断处理程序地址，用选择子：偏移量的形式表示。
假设查看某个中断门描述符，可以使用info idt 序号命令。【下图所示中断向量号 0x20 对应的中断门描述符】
实验二
改进中断处理程序，在汇编版本的 intrXXentry 中调用 C 语言版本的中断处理函数。
修改 interrupt.c 和 kernel.S 文件
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim interrupt.c
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim kernel.S
之后的步骤和实验一的一模一样~
运行图中不断打印“int vector: 0x20”（只打开了时钟中断，并且时钟的中断向量号是 0x20）
实验三
新建device 目录下，存放设备代码。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs$ sudo mkdir device
创建 timer.c 和 timer.h。
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/device$ sudo vim timer.c
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/device$ sudo vim timer.h
接下来，把 timer_init 函数加在文件 init.c 中
(base) user@ubuntu:/home/cooiboi/bochs/kernel$ sudo vim init.c
完成基本文件创建工作后，现在进入到编译、链接、写入磁盘的步骤。
下面命令均在/home/cooiboi/bochs$下执行。
编译
sudo nasm -f elf -o build/print.o lib/kernel/print.S
sudo nasm -f elf -o build/kernel.o kernel/kernel.S
sudo gcc -m32 -I lib/kernel -c -o build/timer.o device/timer.c
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/main.o kernel/main.c
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/interrupt.o kernel/interrupt.c
sudo gcc -m32 -I lib/kernel/ -m32 -I lib/ -m32 -I kernel/ -c -fno-builtin -o build/init.o kernel/init.c
链接工作
sudo ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o build/kernel.bin build/main.o build/init.o build/interrupt.o build/print.o build/kernel.o build/timer.o
写入磁盘
sudo dd if=/home/cooiboi/bochs/build/kernel.bin of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
启动Bochs
sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk
参考资料
- 《操作系统真象还原》
- 《操作系统真象还原》第七章 ---- 终进入中断处理拳打脚踢 操作系统日渐成熟 目前所有代码总览
