[嵌入式]DellaOS内核程序篇——初级中断处理

DellaOS内核程序篇——初级中断处理

本文参照《Orange’S：一个操作系统的实现》与《一个64位操作系统的设计与实现》实现（部分内容有删改），如有描述不清或错误处，请阅读原著或联系本人

在学习过程中，由于操作系统知识过于庞大，我们奉行”懒加载“的原则，用到什么学习什么

2021-12.15

1、中断处理

中断大多是由外部硬件设备（如鼠标、键盘、硬盘、光驱等）产生，并向处理器发送事件请求信号。中断请求信号可能是关于数据读写操作的，也可能是关于对外部设备控制的。由于Intel处理器只有一个外部中断引脚INTR，为了使处理器能够同时接收多个硬件设备发送来的中断请求信号，特将所有外部设备的中断请求信号汇总到中断控制器，再经由中断控制器的仲裁后，有选择性地将中断请求信号依次发往处理器的外部中断引脚INTR。

在多核处理器出现之前，8259A PIC（Programmable Interrupt Controller，可编程中断控制器）是PC机使用最为普遍的中断控制器，在很多教科书和资料中经常会提及它。自从多核处理器面世后，8259A PIC对多核处理器的支持已逐渐变得力不从心，从而出现了后来的APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller，高级可编程中断控制器）

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在两个8259A芯片级联的过程中，一个8259A中断控制器作为主芯片，与CPU的INTR引脚相连；另一个8259A中断控制器作为从芯片，与主8259A芯片的IR2引脚相连。其他中断请求引脚IR将与外部硬件设备的中断请求引脚相连。

8259A被叫作可编程中断控制器，那么它必定拥有一系列可配置的寄存器。一个8259A PIC包含两组寄存器，分别是ICW（Initialization Command Word，初始化命令字）寄存器组和OCW（Operational Control Word，操作控制字）寄存器组。其中，ICW寄存器组用于初始化中断控制器，在8259A芯片正常工作前必须先对ICW寄存器组进行设置；OCW寄存器组用于操作中断控制器，可随时通过OCW寄存器组设置和管理中断控制器的工作方式

PC机采用I/O地址映射方式，将8259A PIC的寄存器映射到I/O端口地址空间，因此必须借助IN和OUT汇编指令才能访问8259A PIC。主8259A芯片的I/O端口地址是20h和21h，从8259A芯片的I/O端口地址是A0h和A1h

2、配置ICW寄存器组和OCW寄存器组

ICW寄存器组共包含ICW1、ICW2、ICW3、ICW4四个寄存器，它们必须按照从ICW1到ICW4的顺序进行初始化。主8259A芯片的ICW1寄存器映射到I/O端口20h地址处，ICW2、ICW3、ICW4寄存器映射到I/O端口21h地址处；从8259A芯片的ICW1寄存器映射到I/O端口A0h地址处，ICW2、ICW3、ICW4寄存器映射到I/O端口A1h地址处。对主/从8259A芯片的初始化顺序可以是先后式的（先配置主芯片的ICW寄存器组，再配置从芯片的ICW寄存器组）或交替式的（先配置主/从芯片的ICW1寄存器，再设置主/从芯片的ICW2寄存器，依次类推直至ICW4寄存器）。

2.1、初始化命令字ICW

ICW1寄存器

主/从8259A芯片的ICW1寄存器都固定初始化为00010001B（11h）

ICW2寄存器

对于中断向量号并没有特殊要求，通常情况下，主8259A芯片的中断向量号设置为20h（占用中断向量号20h_{27h），从8259A芯片的中断向量号设置为28h（占用中断向量号28h}2fh）

ICW3寄存器

主

从

ICW4寄存器

• AEOI模式：此模式可使中断控制器收到CPU发送来的第2个INTA中断响应脉冲后，自动复位ISR寄存器的对应位。
• EOI模式：在EOI模式下，处理器执行完中断处理程序后，必须手动向中断控制器发送中断结束EOI指令，来复位ISR寄存器的对应位。
• FNM（Fully Nested Mode，全嵌套模式）：在此模式下，中断请求的优先级按引脚名从高到低依次为IR0~IR7。如果从8259A芯片的中断请求正在被处理，那么该从芯片将被主芯片屏蔽直至处理结束，即使从芯片产生更高优先级的中断请求也不会得到执行。
• SFNM（Special Fully Nested Mode，特殊全嵌套模式）：该模式与FNM基本相同，不同点是当从芯片的中断请求正在被处理时，主芯片不会屏蔽该从芯片，这使得主芯片可以接收来自从芯片的更高优先级中断请求。在中断处理程序返回时，需要先向从芯片发送EOI命令，并检测从芯片的ISR寄存器值，如果ISR寄存器仍有其他中断请求，则无需向主芯片发送EOI命令。

2.2、操作控制字OCW

OCW1寄存器

OCW2寄存器

OCW2寄存器的D5~D7位组合值含义

OCW3寄存器

2.3、初始化后数据

3、键盘驱动

键盘设备也是拥有控制芯片的，如果希望键盘可以持续接收到按键中断请求，则必须对键盘控制器芯片有所了解才能实现

目前，市面上的键盘控制器芯片大多采用Intel 8042以及兼容芯片，键盘控制器芯片通过PS/2接口（或一些USB接口）与外部键盘设备相连。键盘设备通常会包含一个Intel 8048或兼容芯片，这个芯片会时刻扫描键盘设备的每个按键，并将扫描到的按键进行编码，每个按键的编码是唯一的，不会重复，所以8048芯片也被称为键盘编码芯片

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当8048键盘编码器扫描到按键被按下时，它会将按键对应的编码值通过PS/2接口发送到8042键盘控制器芯片中。8042键盘控制器在接收到编码值后，会将其解析并转换成统一的键盘扫描码（第1套XT扫描码集），并存放到输出缓冲区中待处理器读取。如果此时键盘又有新的键被按下，8042芯片将不再接收新的数据，直至输出缓冲区被清空后，8042芯片才会继续接收按键编码数据。

键盘扫描码一共有3套：第1套为原始的XT扫描码集；第2套为AT扫描码集；第3套为PS/2扫描码集（很少使用）。现在，键盘皆默认使用第2套AT键盘扫描码，但是出于兼容性考虑，第2套扫描码最终都转换成第1套XT扫描码集供处理器使用（也可以设置成不转换成第1套XT扫描码集，但这样需要另作特殊配置）

第1套扫描码的特点是，每个按键扫描码由1 B数据组成，这1 B数据的低7位（位6到位0）代表按键的扫描码，最高位（位7）代表按键的状态（0：按下，1：松开）。当某个键被按下时，键盘控制器输出的扫描码叫作Make Code码，而松开按键时的扫描码则叫作Break Code码。例如，按键B的Make Code码是0x30，则它的Break Code码便是0xb0

4、实现

4.1、目录结构

├── a.img			# 镜像文件
├── boot
│	├── boot.asm	# boot
│	├── fat12.inc	# FAT12文件系统头
│   └── loader.asm	# loader
├── kernel		
│   ├── head.S		# 内核头程序
│   ├── entry.S		# 中断/异常现场保存
│   ├── entry.S		# 初始化IDT、TSS
│   ├── font.h		# ASCII
│   ├── printf.h	# 打印函数头文件
│   ├── printf.c	# 打印函数
│   ├── lib.h		# 依赖库
│   ├── string.h	# string相关函数
│   ├── trap.h		# 中断/异常头文件
│   ├── trap.c		# 中断/异常处理
│   ├── memory.h	# 初级内存管理头文件
│   ├── memory.c	# 初级内存管理
│   ├── interrupt.h	# 初级中断处理头文件
│   ├── interrupt.c	# 初级中断处理
│   ├── Kernel.lds	# 内核头程序链接脚本
│   └── main.c		# 内核主程序
├── clear.sh
└── run.sh

interrupt.h

#ifndef __INTERRUPT_H__
#define __INTERRUPT_H__

void init_interrupt();
void do_IRQ(unsigned long regs,unsigned long nr);

#endif

interrupt.c

#include "interrupt.h"
#include "lib.h"
#include "printf.h"
#include "memory.h"
#include "gate.h"

#define SYMBOL_NAME_STR(X)	#X
#define IRQ_NAME(nr) nr##_interrupt(void)
#define IRQ_NA(nr) IRQ_NAME(IRQ##nr)

#define SAVE_ALL				\
	"cld;			\n\t"		\
	"pushq	%rax;		\n\t"		\
	"pushq	%rax;		\n\t"		\
	"movq	%es,	%rax;	\n\t"		\
	"pushq	%rax;		\n\t"		\
	"movq	%ds,	%rax;	\n\t"		\
	"pushq	%rax;		\n\t"		\
	"xorq	%rax,	%rax;	\n\t"		\
	"pushq	%rbp;		\n\t"		\
	"pushq	%rdi;		\n\t"		\
	"pushq	%rsi;		\n\t"		\
	"pushq	%rdx;		\n\t"		\
	"pushq	%rcx;		\n\t"		\
	"pushq	%rbx;		\n\t"		\
	"pushq	%r8;		\n\t"		\
	"pushq	%r9;		\n\t"		\
	"pushq	%r10;		\n\t"		\
	"pushq	%r11;		\n\t"		\
	"pushq	%r12;		\n\t"		\
	"pushq	%r13;		\n\t"		\
	"pushq	%r14;		\n\t"		\
	"pushq	%r15;		\n\t"		\
	"movq	$0x10,	%rdx;	\n\t"		\
	"movq	%rdx,	%ds;	\n\t"		\
	"movq	%rdx,	%es;	\n\t"

#define Build_IRQ(nr)							\
void IRQ_NA(nr);						\
__asm__ (	SYMBOL_NAME_STR(IRQ)#nr"_interrupt:		\n\t"	\
			"pushq	$0x00				\n\t"	\
			SAVE_ALL					\
			"movq	%rsp,	%rdi			\n\t"	\
			"leaq	ret_from_intr(%rip),	%rax	\n\t"	\
			"pushq	%rax				\n\t"	\
			"movq	$"#nr",	%rsi			\n\t"	\
			"jmp	do_IRQ	\n\t");

//自定义中断
Build_IRQ(0x20)
Build_IRQ(0x21)
Build_IRQ(0x22)
Build_IRQ(0x23)
Build_IRQ(0x24)
Build_IRQ(0x25)
Build_IRQ(0x26)
Build_IRQ(0x27)
Build_IRQ(0x28)
Build_IRQ(0x29)
Build_IRQ(0x2a)
Build_IRQ(0x2b)
Build_IRQ(0x2c)
Build_IRQ(0x2d)
Build_IRQ(0x2e)
Build_IRQ(0x2f)
Build_IRQ(0x30)
Build_IRQ(0x31)
Build_IRQ(0x32)
Build_IRQ(0x33)
Build_IRQ(0x34)
Build_IRQ(0x35)
Build_IRQ(0x36)
Build_IRQ(0x37)

void (* interrupt[24])(void)=
{
	IRQ0x20_interrupt,
	IRQ0x21_interrupt,
	IRQ0x22_interrupt,
	IRQ0x23_interrupt,
	IRQ0x24_interrupt,
	IRQ0x25_interrupt,
	IRQ0x26_interrupt,
	IRQ0x27_interrupt,
	IRQ0x28_interrupt,
	IRQ0x29_interrupt,
	IRQ0x2a_interrupt,
	IRQ0x2b_interrupt,
	IRQ0x2c_interrupt,
	IRQ0x2d_interrupt,
	IRQ0x2e_interrupt,
	IRQ0x2f_interrupt,
	IRQ0x30_interrupt,
	IRQ0x31_interrupt,
	IRQ0x32_interrupt,
	IRQ0x33_interrupt,
	IRQ0x34_interrupt,
	IRQ0x35_interrupt,
	IRQ0x36_interrupt,
	IRQ0x37_interrupt,
};

void init_interrupt()
{
	int i;
	for(i = 32;i < 56;i++)
	{
		set_intr_gate(i , 2 , interrupt[i - 32]);
	}

	Printf("8259A init \n");

	//8259A-master	ICW1-4
	io_out8(0x20,0x11);
	io_out8(0x21,0x20);
	io_out8(0x21,0x04);
	io_out8(0x21,0x01);

	//8259A-slave	ICW1-4
	io_out8(0xa0,0x11);
	io_out8(0xa1,0x28);
	io_out8(0xa1,0x02);
	io_out8(0xa1,0x01);

	//8259A-M/S	OCW1
	io_out8(0x21,0xfd);
	io_out8(0xa1,0xff);

	sti();
}

void do_IRQ(unsigned long regs,unsigned long nr)	//regs:rsp,nr
{
	unsigned char x;
	Printf("do_IRQ:%#08x ",nr);
	x = io_in8(0x60);
	Printf("key code:%#08x\n",x);
	io_out8(0x20,0x20);
}