c - IRQ 和 iret 指令语义在 32 位内核上的工作(保护模式)

Question

我一直在编写一个业余爱好操作系统，并且正在尝试在内核中进行中断/异常处理。我在环 0，所以没有权限间堆栈切换等。这些是我的惯例:

#include <stdint.h>
#include "dadio.h"

#define MAX_INTERRUPTS 256
#define IDT_DESC_BIT16 0x06 //00000110
#define IDT_DESC_BIT32 0x0E //00001110
#define IDT_DESC_RING1 0x40 //01000000
#define IDT_DESC_RING2 0x20 //00100000
#define IDT_DESC_RING3 0x60 //01100000
#define IDT_DESC_PRESENT 0x80//10000000

//Structs used in this routine

typedef struct __attribute__ ((__packed__)) idtr {
    uint16_t        limit;
    uint32_t        base;
}idtr_t;

typedef struct __attribute__ ((__packed__)) gdtr {
    uint16_t        limit;
    uint32_t        base;
}gdtr_t;

typedef struct __attribute__ ((__packed__)) idt_descriptor {
uint16_t        baseLo;
uint16_t        sel;
uint8_t         reserved;
uint8_t         flags;
uint16_t        baseHi;
}idt_descriptor_t;

typedef struct __attribute__((__packed__)) gdt_descriptor {
uint16_t        limit;
uint16_t        baseLo;
uint8_t         baseMid;
uint16_t        flags;
uint8_t         baseHi;
} gdt_descriptor_t;

//External assembly functions
void init_pic();
void install_idt(idtr_t* address);
void enable_interrupts();

//Global variables in this routine
static idt_descriptor_t _idt[MAX_INTERRUPTS];
static idtr_t _idtr; //This will be the 6 byte base + limit

//Helper functions
static void install_ir(uint32_t index,uint16_t flags, uint16_t sel, uint32_t* handler_address);
static void default_handler();



void idt_init()
{
    _idtr.base = (uint32_t)_idt;
    _idtr.limit = (sizeof (idt_descriptor_t) * MAX_INTERRUPTS) -1 ;

    for (int i=0;i<MAX_INTERRUPTS;i++)
    {
        _idt[i].baseLo = 0;
        _idt[i].sel = 0;
        _idt[i].reserved = 0;
        _idt[i].flags = 0;
        _idt[i].baseHi = 0;
    }

    for (int i=0;i<MAX_INTERRUPTS;i++)
        install_ir(i,IDT_DESC_BIT32 | IDT_DESC_PRESENT, 0x08, (uint32_t*) default_handler);

    init_pic();
    install_idt(& _idtr);
    enable_interrupts();
}
static void install_ir(uint32_t index,uint16_t flags, uint16_t sel, uint32_t* handler_address)
{
    if (index >=MAX_INTERRUPTS) return;

    _idt[index].baseLo = (uint32_t)handler_address & 0xffff;
    _idt[index].baseHi = ((uint32_t)handler_address >> 16) & 0xffff;
    _idt[index].reserved = 0;
    _idt[index].flags = flags;
    _idt[index].sel = sel;
}

static void default_handler()
{
    monitor-puts("This is the default exception handler"); //This is a routine that prints messages on the screen... The gist is that it writes to 0xb8000 and so on...
    for (;;);
}

汇编例程

init_pic:
    mov al, 0x11  ;ICW 1  ;Expect IC4|single?|0|level?|init?|000
    out 0x20,al
    out 0xA0,al

    mov al,0x20  ;Remapping the IRQs
    out 0x21,al
    mov al,0x28
    out 0xA1,al

    ; Send ICW 3 to primary PIC
    mov al, 0x4  ; 0x4 = 0100 Second bit (IR Line 2)
    out 0x21, al ; write to data register of primary PIC

    ; Send ICW 3 to secondary PIC
    mov al, 0x2 ; 010=> IR line 2
    out 0xA1, al ; write to data register of secondary PIC

    ; Send ICW 4 - Set x86 mode --------------------------------

    mov al, 1   ; bit 0 enables 80x86 mode

    out 0x21, al
    out 0xA1, al

    ; Zeroing out the data registers

    mov al, 0
    out 0x21, al
    out 0xA1, al

    ret

enable_interrupts:
    sti
    ret

最小内核是:

void kmain()
{
idt_init();
return;
}

如果我注释掉 idt_init 函数中的 init_pic()，我会收到消息:这是默认异常处理程序，后跟 for(;;) 。我认为这是预期的，因为一旦我启用中断，计时器之类的东西就会发送 IRQ，并且由于它默认映射到(除以零？)异常，我会收到我定义的处理程序消息。

但是如果我取消注释 init_pic()，我就不会收到该消息。据我了解，IRQ (0-15) 已重新映射到中断 vector (32 - 47)。但计时器中断仍然会触发，我应该收到消息。 (我认为，在我的例子中，所有 256 个可能的中断/异常都映射到同一个例程)。我哪里出错了？

另外，还有一个小后续问题。我知道有些异常会推送错误代码，而有些则不会。但 iret 指令不可能知道这一点，对吧？那么程序员是否有责任手动添加到 esp(弹出异常的错误代码确实会推送错误)，然后执行 iret？

我读过 80386 开发人员手册，从中我了解到这一点。我是不是哪里说错了？

PS:尽管我的项目有更多代码，但我已尝试提供最少的代码。

Answer 1

一个关键点可能是当 kmain 返回时会发生什么？

后续问题很重要:你必须在 iret 之前清理堆栈。仅出于这个原因，将您的大门指向 C 函数确实很麻烦。大多数人都会制作两个程序集 stub :

#define SAVE() pusha; push %ds; push %es; push %fs; push %gs
#define RESTORE() pop %gs; pop %fs; pop %es; pop %ds; popa
#define TRAP0(n) .global vec#n; vec#n: \
       pushl $(n<<8); \
       pushl $0; \
       SAVE(); \
       call generic(); \
       RESTORE(); \
       add $8, %esp; \
       iret

#define TRAP1(n) .global vec#n; vec#n: \
       movw $n, 2(%esp); \
       pushl $0; \
       SAVE();\
       call generic(); \
       RESTORE(); \
       add $8, %esp; \
       iret

#define PTRAP(n) .global vec#n; vec#n: \
       movw $n, 2(%esp);\
       pushl $0; SAVE();\
       mov %cr3, %eax; \
       mov %eax, (12*4)(%esp); \
       call generic(); \
       RESTORE(); \
       add $8, %esp; \
       iret

TRAP0(0); TRAP0(1); ... TRAP0(7);
TRAP1(8); TRAP0(9);
TRAP1(10); ...TRAP1(13);
PTRAP(14); TRAP1(15); ...; TRAP1(31);

/* interrupts: */
TRAP0(32); TRAP0(33); ....  TRAP0(47)

因此，您将 vec0..vec47 安装到 idt[0]..[47] 中；那么你的通用处理程序看起来就像已经传递了一个结构:

struct kstk {
     uint32_t seg[4];
     uint32_t reg[8];
     uint32_t cr3;
     uint16_t errc, trap;
     uint32_t ip, cs, fl, sp, ss;
};

void handler(struct kstk x);ss、sp 是可选的。(标准免责声明，我刚刚将其输入到消息中，因此可能需要一些调整)。