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[自制作業系統] 第11回 認識中斷

2022-07-03 07:51:53 作業系統

目錄
一、前景回顧
二、初識中斷
三、中斷分類
四、中斷號
五、可編程中斷控制器8259A
六、中斷描述符表IDT

 

一、前景回顧

  上一回我們簡單地講解了特權級的原理,這一塊其實我當時也是啃的云里霧里,看了好大一會兒才明白,如果實在不怎么理解特權級檢查也沒關系,因為后面的代碼中也不會涉及到手寫特權級檢查,這些都是CPU自己來完成,總之只需要對特權級檢查有概念即可,本回我們來講講比較重要的中斷,

二、初識中斷

  我們知道,整個作業系統其實是處于一個死回圈的,為什么這么說呢?因為CPU總是不知疲倦的取指令,譯指令,執行指令,如果我們不讓作業系統處于死回圈的情況下,CPU就可能會將指令后面的資料給解碼為某個指令來執行,這樣就會導致CPU出現例外,所以為了避免這種情況出現,我們通過類似下面的代碼形式:

while (1){
  作業系統代碼
}

  讓作業系統永遠死回圈在這里,在我們前面的代碼中,如果仔細看的話會發現有jmp $的出現,它的目的也是讓CPU執行到這里就一直死回圈,那么每當有新的事件出現時,再去“通知”CPU跳轉執行,執行完畢后如果沒有新的事件便讓CPU再次死回圈,這里的“通知”就是中斷所起的作用,每當有新的事件出現,便以中斷的方式來通知作業系統,所以可見在作業系統中,中斷的作用可以說是舉足輕重的,

三、中斷分類

  我們已經知道,中斷便是發生了某類事件需要通知CPU處理的一種行為,所以只要有事件發生就應該讓CPU知道,中斷按照事件來源分類,來自CPU外部的中斷就稱為外部中斷,來自CPU內部的中斷被稱為內部中斷,還可以更加細分,具體看下圖,

  

四、中斷號

  中斷機制的本質就是來了一個中斷信號后,呼叫相應的中斷處理程式,不管CPU有多少種型別的中斷,為了方便管理,將來自外部設備和內部指令的各種中斷型別統統歸于一種管理方式,即為每一個中斷信號分配一個整數,用此數來作為中斷的ID,也就是所謂的中斷向量,用此中斷向量在中斷描述符表中索引得到對應表項,再從中得到中斷處理程式,中斷向量表如下,

  

  表中的Error code欄位中,如果值為Y,表示相應的中斷處理程序會由CPU壓入錯誤碼,這個在我們后面撰寫中斷代碼時會再次提到,

五、可編程中斷控制器8259A

  上一節我們說到,每一個中斷信號都對應一個中斷向量,CPU根據中斷向量來查表執行中斷函式,中斷分為外部中斷和內部中斷,內部中斷的中斷信號在CPU內部即可傳遞,那么針對外部設備的中斷,中斷向量是如何傳遞給CPU的呢?

  為了讓CPU獲得每一個外部設備的中斷信號,最好的方式自然是在CPU中為每一個外設準備一個引腳接收中斷,但這是不現實的,因為外部設備的數量理論上是沒有上限的,CPU準備再多引腳都沒用,而且這種方式顯得很傻,再加上我們前面說過,CPU有自己的專屬任務,便是不停地取指令,譯指令,執行指令,其他事不應該再去勞煩它,于是有了8259A的出現,

  8259A的作用是負責所有來自外設的中斷,8259A用于管理和控制可屏蔽中斷,它表現在屏蔽外設中斷,對它們實行優先級判決,向CPU提供中斷向量號等功能,下圖是作業示意圖,

  

  外部設備與8259A連接,由8259A來負責接收它們的中斷請求,再將他們的中斷信號傳遞給CPU,這里只需要有一個全域的概念即可,

六、中斷描述符表IDT

  前面提到中斷描述符表,中斷描述符表其實是保護模式下用于存盤中斷處理程式入口的表,當CPU接收到一個中斷后,用此中斷的中斷向量在IDT中索引對應的描述符,在該描述符中找到中斷處理程式的入口地址,然后執行該函式,中斷描述符其實就是被稱為門的描述符,關于門,就是我們在上一回特權級講解一章提到的門結構:呼叫門、中斷門、陷阱門和任務門(忘記的朋友可以點這里),不過我們最終只使用中斷門,這里再來看一下中斷門的結構,

  

  中斷描述符表的地址被存放在IDTR暫存器中,IDTR暫存器的結構如下:

  

  16位的表界限,表達的最大范圍是0xffff,即64KB,可容納的描述符個數是64KB/8B=8K=8192個,但是呢處理器只支持256個中斷,即0~255,

七、中斷處理程序

  中斷處理程序如下圖所示:

  

  其中涉及到的特權級檢查:DPL_GATE >= CPL > DPL_CODE,由于中斷是由中斷向量號通知到處理器的,中斷向量號只是一個整數,并沒有RPL,所以在由中斷引起的特權級轉移做特權級檢查中,并不涉及到RPL,

  本回到此結束了,預知后事如何,請看下回分解,

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