c - x86内核中的键盘IRQ

Question

我正在尝试编写一个非常简单的内核以供学习。阅读了许多有关x86体系结构中的PIC和IRQ的文章之后，
我发现IRQ1是键盘处理程序。我正在使用以下代码来打印被按下的键：

#include "port_io.h"

#define IDT_SIZE 256
#define PIC_1_CTRL 0x20
#define PIC_2_CTRL 0xA0
#define PIC_1_DATA 0x21
#define PIC_2_DATA 0xA1

void keyboard_handler();
void load_idt(void*);

struct idt_entry
{
    unsigned short int offset_lowerbits;
    unsigned short int selector;
    unsigned char zero;
    unsigned char flags;
    unsigned short int offset_higherbits;
};

struct idt_pointer
{
    unsigned short limit;
    unsigned int base;
};

struct idt_entry idt_table[IDT_SIZE];
struct idt_pointer idt_ptr;

void load_idt_entry(char isr_number, unsigned long base, short int selector, char flags)
{
    idt_table[isr_number].offset_lowerbits = base & 0xFFFF;
    idt_table[isr_number].offset_higherbits = (base >> 16) & 0xFFFF;
    idt_table[isr_number].selector = selector;
    idt_table[isr_number].flags = flags;
    idt_table[isr_number].zero = 0;
}

static void initialize_idt_pointer()
{
    idt_ptr.limit = (sizeof(struct idt_entry) * IDT_SIZE) - 1;
    idt_ptr.base = (unsigned int)&idt_table;
}

static void initialize_pic()
{
    /* ICW1 - begin initialization */
    write_port(PIC_1_CTRL, 0x11);
    write_port(PIC_2_CTRL, 0x11);

    /* ICW2 - remap offset address of idt_table */
    /*
    * In x86 protected mode, we have to remap the PICs beyond 0x20 because
    * Intel have designated the first 32 interrupts as "reserved" for cpu exceptions
    */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x20);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x28);

    /* ICW3 - setup cascading */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x00);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x00);

    /* ICW4 - environment info */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x01);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x01);
    /* Initialization finished */

    /* mask interrupts */
    write_port(0x21 , 0xff);
    write_port(0xA1 , 0xff);
}

void idt_init()
{
    initialize_pic();
    initialize_idt_pointer();
    load_idt(&idt_ptr);
}

load_idt仅使用 lidt x86指令。之后，我要加载键盘处理程序：

void kmain(void)
{
    //Using grub bootloader..
    idt_init();
    kb_init();
    load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler, 0x08, 0x8e);
}

这是实现：

#include "kprintf.h"
#include "port_io.h"
#include "keyboard_map.h"

void kb_init(void)
{
    /* 0xFD is 11111101 - enables only IRQ1 (keyboard)*/
    write_port(0x21 , 0xFD);
}

void keyboard_handler(void)
{
    unsigned char status;
    char keycode;
    char *vidptr = (char*)0xb8000;  //video mem begins here.
    /* Acknownlegment */

    int current_loc = 0;
    status = read_port(0x64);
    /* Lowest bit of status will be set if buffer is not empty */
    if (status & 0x01) {
        keycode = read_port(0x60);
        if(keycode < 0)
            return;
        vidptr[current_loc++] = keyboard_map[keycode];
        vidptr[current_loc++] = 0x07;
    }

    write_port(0x20, 0x20);
}

这是我正在使用的额外代码：

section .text

global load_idt
global keyboard_handler

extern kprintf
extern keyboard_handler_main

load_idt:
    sti
    mov edx, [esp + 4]
    lidt [edx]
    ret

global read_port
global write_port

; arg: int, port number.
read_port:
    mov edx, [esp + 4]
    in al, dx   
    ret

; arg: int, (dx)port number
;      int, (al)value to write
write_port:
    mov   edx, [esp + 4]    
    mov   al, [esp + 4 + 4]  
    out   dx, al  
    ret

这是我的切入点：

bits 32
section .text
;grub bootloader header
        align 4
        dd 0x1BADB002            ;magic
        dd 0x00                  ;flags
        dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero

global start
extern kmain            

start:
;  cli          ;block interrupts
  mov esp, stack_space  ;set stack pointer
  call kmain
  hlt           ;halt the CPU

section .bss
resb 8192       ;8KB for stack
stack_space:

我正在使用QEMU运行内核：

qemu-system-i386 -kernel kernel

问题是我没有在屏幕上看到任何字符。相反，我仍然得到相同的输出：

SeaBIOS (version Ubuntu-1.8.2-1-ubuntu1)
Booting from ROM...

我该如何解决这个问题？有什么建议？

Answer 1

您的代码有很多问题。下面分别讨论主要的内容。



HLT指令将暂停当前的CPU，等待下一个中断。此时您确实启用了中断。在第一个中断（按键）之后，将执行HLT之后的代码。它将开始执行内存中任何随机数据。您可以修改kmain以使用HLT指令进行无限循环。这样的事情应该起作用：

while(1) __asm__("hlt\n\t");

在此代码中：

load_idt:
    sti
    mov edx, [esp + 4]
    lidt [edx]
    ret

通常，在更新中断表之后而不是在中断表之前使用STI是更好的主意。这样会更好：

load_idt:
    mov edx, [esp + 4]
    lidt [edx]
    sti
    ret

您的中断处理程序需要执行 iretd才能从中断中正确返回。您的函数 keyboard_handler将执行 ret返回。要解决此问题，您可以创建一个程序集包装器，该包装器调用C keyboard_handler函数，然后执行 IRETD。

在NASM程序集文件中，您可以定义一个名为 keyboard_handler_int的全局函数，如下所示：

extern keyboard_handler
global keyboard_handler_int

keyboard_handler_int:
    call keyboard_handler
    iretd

设置IDT条目的代码如下所示：

load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e);

您的 kb_init函数最终会（通过掩码）启用键盘中断。不幸的是，您在启用该中断后设置了键盘处理程序。在允许中断之后且将条目放置在IDT中之前，可以按下按键。一种快速的解决方法是在调用 kb_init之前通过以下方式设置键盘处理程序：

void kmain(void)
{
    //Using grub bootloader..
    idt_init();
    load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e);
    kb_init();
    while(1) __asm__("hlt\n\t");
}

可能导致内核出现三重故障（并有效地重新引导虚拟机）的最严重的问题是定义 idt_pointer结构的方式。您使用了：

struct idt_pointer
{
    unsigned short limit;
    unsigned int base;
};

问题在于默认的对齐规则将在 limit之后和 base之前放置2个填充字节，以便 unsigned int在结构内以4个字节的偏移量对齐。若要更改此行为并打包数据而无需填充，可以在结构上使用 __attribute__((packed))。定义如下所示：

struct idt_pointer
{
    unsigned short limit;
    unsigned int base;
} __attribute__((packed));

这样做意味着在 limit和 base之间没有多余的字节用于对齐目的。无法有效解决对齐问题会导致 base地址错误地放置在结构中。 IDT指针需要一个16位的值来表示IDT的大小，紧随其后的是一个32位的值来表示IDT的基址。

有关结构对齐和填充的更多信息，请参见Eric Raymond的 blogs之一。由于 struct idt_entry成员的放置方式，因此没有多余的填充字节。如果要创建永远不希望填充的结构，建议使用 __attribute__((packed));。当您使用系统定义的结构映射C数据结构时，通常就是这种情况。考虑到这一点，为了清楚起见，我还将打包 struct idt_entry。



其他注意事项

在中断处理程序中，尽管我建议使用IRETD，但还有另一个问题。随着内核的增长和添加更多的中断，您将发现另一个问题。您的内核可能行为异常，寄存器可能会意外更改值。问题是充当中断处理程序的C函数将破坏某些寄存器的内容，但我们不保存和恢复它们。其次，在调用函数之前，需要清除方向标志（每个 32-bit ABI）（ CLD）。您不能假定在进入中断例程后便清除了方向标志。 ABI说：


EFLAGS标志寄存器包含系统标志，例如方向
标志和进位标志。方向标记必须设置为
进入前和退出时的“前进”方向（即零）
从功能。其他用户标志在
标准调用顺序，未保留


您可以单独推入所有易失性寄存器，但为简便起见，可以使用 PUSHAD和 POPAD指令。看起来像这样的中断处理程序会更好：

keyboard_handler_int:
    pushad                 ; Push all general purpose registers
    cld                    ; Clear direction flag (forward movement)
    call keyboard_handler
    popad                  ; Restore all general purpose registers
    iretd                  ; IRET will restore required parts of EFLAGS
                           ;   including the direction flag

如果要手动保存和还原所有易失性寄存器，则必须保存和还原EAX，ECX和EDX，因为不需要在C函数调用之间保留它们。在中断处理程序中使用x87 FPU指令通常不是一个好主意（主要是为了提高性能），但是如果这样做，则还必须保存并恢复x87 FPU状态。



样例代码

您没有提供完整的示例，因此我填补了一些空白（包括简单的键盘映射），并对键盘处理程序进行了一些改动。修改后的键盘处理程序仅显示按键事件，并跳过没有映射的字符。在所有情况下，代码都将直达处理程序的末尾，以便向PIC发送EOI（中断结束）。当前光标位置是一个静态整数，将在中断调用之间保留其值。这样可使位置在每次按下字符之间前进。

我的 kprintd.h文件为空，我将所有汇编器原型都放入了您的 port_io.h中。原型应适当地分为多个标题。我只是通过这种方式来减少文件数量。我的文件 lowlevel.asm定义了所有低级汇编例程。最终代码如下：

kernel.asm：

bits 32
section .text
;grub bootloader header
        align 4
        dd 0x1BADB002            ;magic
        dd 0x00                  ;flags
        dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero

global start
extern kmain

start:
    lgdt [gdtr]                 ; Load our own GDT, the GDTR of Grub may be invalid

    jmp CODE32_SEL:.setcs       ; Set CS to our 32-bit flat code selector
.setcs:
    mov ax, DATA32_SEL          ; Setup the segment registers with our flat data selector
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax
    mov esp, stack_space        ; set stack pointer

    call kmain

; If we get here just enter an infinite loop
endloop:
    hlt                         ; halt the CPU
    jmp endloop

; Macro to build a GDT descriptor entry
%define MAKE_GDT_DESC(base, limit, access, flags) \
    (((base & 0x00FFFFFF) << 16) | \
    ((base & 0xFF000000) << 32) | \
    (limit & 0x0000FFFF) | \
    ((limit & 0x000F0000) << 32) | \
    ((access & 0xFF) << 40) | \
    ((flags & 0x0F) << 52))

section .data
align 4
gdt_start:
    dq MAKE_GDT_DESC(0, 0, 0, 0); null descriptor
gdt32_code:
    dq MAKE_GDT_DESC(0, 0x00ffffff, 10011010b, 1100b)
                                ; 32-bit code, 4kb gran, limit 0xffffffff bytes, base=0
gdt32_data:
    dq MAKE_GDT_DESC(0, 0x00ffffff, 10010010b, 1100b)
                                ; 32-bit data, 4kb gran, limit 0xffffffff bytes, base=0
end_of_gdt:

gdtr:
    dw end_of_gdt - gdt_start - 1
                                ; limit (Size of GDT - 1)
    dd gdt_start                ; base of GDT

CODE32_SEL equ gdt32_code - gdt_start
DATA32_SEL equ gdt32_data - gdt_start

section .bss
resb 8192                       ; 8KB for stack
stack_space:

lowlevel.asm：

section .text

extern keyboard_handler
global read_port
global write_port
global load_idt
global keyboard_handler_int

keyboard_handler_int:
    pushad
    cld
    call keyboard_handler
    popad
    iretd

load_idt:
    mov edx, [esp + 4]
    lidt [edx]
    sti
    ret

; arg: int, port number.
read_port:
    mov edx, [esp + 4]
    in al, dx
    ret

; arg: int, (dx)port number
;      int, (al)value to write
write_port:
    mov   edx, [esp + 4]
    mov   al, [esp + 4 + 4]
    out   dx, al
    ret

port_io.h：

extern unsigned char read_port (int port);
extern void write_port (int port, unsigned char val);
extern void kb_init(void);

kprintf.h：

/* Empty file */

keyboard_map.h：

unsigned char keyboard_map[128] =
{
    0,  27, '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8',     /* 9 */
  '9', '0', '-', '=', '\b',     /* Backspace */
  '\t',                 /* Tab */
  'q', 'w', 'e', 'r',   /* 19 */
  't', 'y', 'u', 'i', 'o', 'p', '[', ']', '\n', /* Enter key */
    0,                  /* 29   - Control */
  'a', 's', 'd', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'l', ';',     /* 39 */
 '\'', '`',   0,                /* Left shift */
 '\\', 'z', 'x', 'c', 'v', 'b', 'n',                    /* 49 */
  'm', ',', '.', '/',   0,                              /* Right shift */
  '*',
    0,  /* Alt */
  ' ',  /* Space bar */
    0,  /* Caps lock */
    0,  /* 59 - F1 key ... > */
    0,   0,   0,   0,   0,   0,   0,   0,
    0,  /* < ... F10 */
    0,  /* 69 - Num lock*/
    0,  /* Scroll Lock */
    0,  /* Home key */
    0,  /* Up Arrow */
    0,  /* Page Up */
  '-',
    0,  /* Left Arrow */
    0,
    0,  /* Right Arrow */
  '+',
    0,  /* 79 - End key*/
    0,  /* Down Arrow */
    0,  /* Page Down */
    0,  /* Insert Key */
    0,  /* Delete Key */
    0,   0,   0,
    0,  /* F11 Key */
    0,  /* F12 Key */
    0,  /* All other keys are undefined */
};

keyb.c：

#include "kprintf.h"
#include "port_io.h"
#include "keyboard_map.h"

void kb_init(void)
{
    /* This is a very basic keyboard initialization. The assumption is we have a
     * PS/2 keyboard and it is already in a propr state. This may not be the case
     * on real hardware. We simply enable the keyboard interupt */

    /* Get current master PIC interrupt mask */
    unsigned char curmask_master = read_port (0x21);

    /* 0xFD is 11111101 - enables only IRQ1 (keyboard) on master pic
       by clearing bit 1. bit is clear for enabled and bit is set for disabled */
    write_port(0x21, curmask_master & 0xFD);
}

/* Maintain a global location for the current video memory to write to */
static int current_loc = 0;
/* Video memory starts at 0xb8000. Make it a constant pointer to
   characters as this can improve compiler optimization since it
   is a hint that the value of the pointer won't change */
static char *const vidptr = (char*)0xb8000;

void keyboard_handler(void)
{
    signed char keycode;

    keycode = read_port(0x60);
    /* Only print characters on keydown event that have
     * a non-zero mapping */
    if(keycode >= 0 && keyboard_map[keycode]) {
        vidptr[current_loc++] = keyboard_map[keycode];
        /* Attribute 0x07 is white on black characters */
            vidptr[current_loc++] = 0x07;
    }

    /* Send End of Interrupt (EOI) to master PIC */
    write_port(0x20, 0x20);
}

main.c：

#include "port_io.h"

#define IDT_SIZE 256
#define PIC_1_CTRL 0x20
#define PIC_2_CTRL 0xA0
#define PIC_1_DATA 0x21
#define PIC_2_DATA 0xA1

void keyboard_handler_int();
void load_idt(void*);

struct idt_entry
{
    unsigned short int offset_lowerbits;
    unsigned short int selector;
    unsigned char zero;
    unsigned char flags;
    unsigned short int offset_higherbits;
} __attribute__((packed));

struct idt_pointer
{
    unsigned short limit;
    unsigned int base;
} __attribute__((packed));

struct idt_entry idt_table[IDT_SIZE];
struct idt_pointer idt_ptr;

void load_idt_entry(int isr_number, unsigned long base, short int selector, unsigned char flags)
{
    idt_table[isr_number].offset_lowerbits = base & 0xFFFF;
    idt_table[isr_number].offset_higherbits = (base >> 16) & 0xFFFF;
    idt_table[isr_number].selector = selector;
    idt_table[isr_number].flags = flags;
    idt_table[isr_number].zero = 0;
}

static void initialize_idt_pointer()
{
    idt_ptr.limit = (sizeof(struct idt_entry) * IDT_SIZE) - 1;
    idt_ptr.base = (unsigned int)&idt_table;
}

static void initialize_pic()
{
    /* ICW1 - begin initialization */
    write_port(PIC_1_CTRL, 0x11);
    write_port(PIC_2_CTRL, 0x11);

    /* ICW2 - remap offset address of idt_table */
    /*
    * In x86 protected mode, we have to remap the PICs beyond 0x20 because
    * Intel have designated the first 32 interrupts as "reserved" for cpu exceptions
    */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x20);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x28);

    /* ICW3 - setup cascading */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x00);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x00);

    /* ICW4 - environment info */
    write_port(PIC_1_DATA, 0x01);
    write_port(PIC_2_DATA, 0x01);
    /* Initialization finished */

    /* mask interrupts */
    write_port(0x21 , 0xff);
    write_port(0xA1 , 0xff);
}

void idt_init()
{
    initialize_pic();
    initialize_idt_pointer();
    load_idt(&idt_ptr);
}

void kmain(void)
{
    //Using grub bootloader..
    idt_init();
    load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e);
    kb_init();
    while(1) __asm__("hlt\n\t");
}

为了链接该内核，我使用具有以下定义的文件 link.ld：

/*
*  link.ld
*/
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(start)
SECTIONS
 {
   . = 0x100000;
   .text : { *(.text) }
   .rodata : { *(.rodata) }
   .data : { *(.data) }
   .bss  : { *(.bss)  }
 }

我使用以下命令使用GCC i686 cross compiler编译并链接此代码：

nasm -f elf32 -g -F dwarf kernel.asm -o kernel.o
nasm -f elf32 -g -F dwarf lowlevel.asm -o lowlevel.o
i686-elf-gcc -g -m32  -c main.c -o main.o -ffreestanding -O3 -Wall -Wextra -pedantic
i686-elf-gcc -g -m32  -c keyb.c -o keyb.o -ffreestanding -O3 -Wall -Wextra -pedantic
i686-elf-gcc -g -m32  -Wl,--build-id=none -T link.ld -o kernel.elf -ffreestanding -nostdlib lowlevel.o main.o keyb.o kernel.o -lgcc

结果是带有调试信息的名为 kernel.elf的内核。我更喜欢 -O3的优化级别，而不是默认的 -O0。调试信息使使用QEMU和GDB进行调试更加容易。可以使用以下命令调试内核：

qemu-system-i386 -kernel kernel.elf -S -s &

gdb kernel.elf \
        -ex 'target remote localhost:1234' \
        -ex 'layout src' \
        -ex 'layout regs' \
        -ex 'break kmain' \
        -ex 'continue'

如果要在汇编代码级别进行调试，请用 layout src替换 layout asm。当使用输入 the quick brown fox jumps over the lazy dog 01234567890 QEMU运行时，显示以下内容：