Bran的内核开发教程(bkerndev)-07 中断描述符表(IDT)

Posted 2020-11-30 raina

中断描述符表(IDT)

??中断描述符表(IDT)用于告诉处理器调用哪个中断服务程序(ISR)来处理异常或汇编中的"int"指令。每当设备完成请求并需要服务事, 中断请求也会调用IDT条目。异常和ISR将在下一节进行详细的说明。

??每一项IDT都与GDT相似, 两者都有一个基地址, 一个访问标志, 而且都长64bits。这两类描述符表最主要的区别在于这些字段的含义: 在IDT中的基地址是中断时应调用的ISR的地址。IDT也没有边界(limit), 而是需要一个指定的段, 该段与给定的ISR所在段相同。这让处理器即使处于不同级别的Ring中, 在发生中断时也能将控制权交给内核。

??IDT条目的访问标志位也和GDT相似。需要一个字段说明描述符是否存在。描述符特权级别(DPL)用于说明哪个Ring是给定中断允许使用的最高级别。主要区别在于访问字节的低5位始终为二进制01110, 也就是十进制中的14。下面这张表让你更好地理解IDT访问字节。

• P - 段是否存在? (1 = Yes)
• DPL - 哪个Ring (0~3)

??在你的自制内核目录下创建一个新文件"idt.c"。编辑"build.bat"文件, 添加新的一行gcc命令编译"idt.c"。最后添加"idt.o"到链接文件列表中。"idt.c"中将会声明一个结构体用于定义每个IDT条目, 和一个用于加载IDT的特殊IDT指针结构体(类似于加载GDT, 但工作量更少), 并声明一个256大小的IDT数组: 这将成为我们的IDT。

idt.c

#include <system.h>

/* 定义IDT条目 */
struct idt_entry
{
    unsigned short base_lo;
    unsigned short sel;        /* 我们的内核段在这里 */
    unsigned char always0;     /* 这将始终为0! */
    unsigned char flags;       /* 根据上表进行设置! */
    unsigned short base_hi;
} __attribute__((packed));  // 不进行对齐优化

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

/* 声明一个有256个条目的IDT, 尽管在本教程中我们只会使用前32个。
 * 剩下的存在一点小陷阱, 如果任何未定义的IDT被集中, 
 * 将会导致"未处理的中断(Unhandled Interrupt)"异常,
 * 描述符的"presence"位如果为0, 将生成"未处理的中断"异常。*/
struct idt_entry idt[256];
struct idt_ptr idtp;

/*该函数在"start.asm"中定义, 用于加载我们的IDT */
extern void idt_load();

??idt_load函数的函数定义在其他文件中, 和gdt_flash一样是使用汇编语言编写的。我们之后将在idt_install中使用创建的IDT指针来调用lidt汇编操作码。打开"start.asm"文件, 把下面几行添加到_gdt_flush的re后面。

start.asm

; 加载idtp指针所指的IDT到处理器中
; 这在C文件中声明为"extern void idt_load();"
global _idt_load
extern _idtp
_idt_load:
    lidt [_idtp]
    ret

??设置IDT条目比GDT简单得多。我们又一个idt_set_gate函数用于接收IDT索引号、中断服务程序基地址、内核代码段以及上表中提到的访问标志。同样, 我们又一个idt_install函数用来设置IDT指针, 并将IDT初始化为默认清除状态。最后, 我们将通过调用idt_load来加载IDT。在加载IDT后, 我们可以随时将ISR添加到IDT中。本教程将在下一节介绍ISR。下面是"idt.c"文件的剩余部分, 请尝试弄明白idt_set_gate函数, 它其实很简单。

idt.c

/* 使用该函数来设置每项IDT*/
void idt_set_gate(unsigned char num, unsigned long base, unsigned short sel, unsigned char flags)
{
    /* 该函数的代码将留给你来实现: 
     * 将参数"base"分为高16位和低16位,
     * 将它们存储在idt[num].base_hi和idt[num].base_lo中
     * 剩下的需要设置idt[num]的其他成员的值 */
}

/* 安装IDT */
void idt_install()
{
    /* 设置IDT指针 */
    idtp.limit = (sizeof (struct idt_entry) * 256) - 1;
    idtp.base = &idt;

    /* 清空整个IDT, 并初始化该片区域为0 */
    memset(&idt, 0, sizeof(struct idt_entry) * 256);

    /* 使用idt_set_gate将ISR添加到IDT中 */

    /* 将处理器的内部寄存器指向新的IDT */
    idt_load();
}

??最后, 确保在"system.h"中添加idt_set_gate和idt_install作为函数原型, 因为我们需要从其他文件(例如"main.c")中调用这些函数。在main()函数调用了gdt_install后立即调用idt_install。这是你应该可以成功编译你的内核。尝试使用一下你的新内核, 在进行除零之类的非法操作时, 计算机将重置。我们可以通过在新的IDT中安装ISR来不活这些异常。

??如果你不知道怎么编写idt_set_gate, 则可以在此处找到本教程的解决方案。

idt.c

void idt_set_gate(unsigned char num, unsigned long base, unsigned short sel, unsigned char flags)
{
    /* 中断程序的基地址 */
    idt[num].base_lo = (base & 0xFFFF);
    idt[num].base_hi = (base >> 16) & 0xFFFF;

    /* 该IDT使用的段或区域以及访问标志位将在此设置 */
    idt[num].sel = sel;
    idt[num].always0 = 0;
    idt[num].flags = flags;
}