doc/Chapter5-Interrupt

   1 Chpater 5  中断的实现
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   3 中断， 是内核中非常核心的一部份， 有了中断， 分页机制的虚拟内存管理才有了可能。
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   5 5.1 什么是中断(Interrupt)
   6 Interrup, 中断， 意为被打断之意。 然在内核的实现中， 起着非常重要的作用， 使得内核可以异步处理一些慢I/O的操作， 如磁盘的读取等， 从而使得CPU不用慢长的等待那些操作的完成， 大大提高了CPU与系统的性能。 为了更好的理解中断， 我举例如下： 假如你正在吃饭， 此时突然手机来电， 你很有可能放下手中的饭碗， 拿起手机接听， 打完之后， 你自然会接着吃（排除出些了紧急情况）。 这就完成了一次中断， 手机是中断源， 而你被电话中断， 之后继续之前被中断的事－－吃饭。 是的， 内核中的中断就是基于这个原理实现的。
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   8 5.2 为什么需要中断
   9 假如你此时订了个餐， 大概半小时之后到（当然， 也有可能更久）， 你肯定不会傻坐着干等着餐的到来吧， 所以， 此时一个默认的中断协议已经达成： 在餐来之前， 你可以做很多事情， 如玩电脑，看电视，甚至洗脸刷牙（如果你刚起的话）， 然而此时有人在敲门， 接着你开门， 好的， 餐到了。 多好， 在这半小时， 做了很多事， 而且餐也来了。 然而内核的设计也是基于这个原理的。 假如， 你现在边听歌边写论文（是的， 这本是一件很享受的事情）， 假设你每打一个字都会立即写入硬盘（但，实际上不是的， 好的系统会尽量延迟磁盘的写操作）， 每当CPU收到写命令时， 便告知硬盘控制器， CPU便会马上做其它的事情（如播放歌曲）， 等数据写完时， 硬盘控制器便会发一个信号给CPU， 说那一字节我已写了， CPU便又可处理你输入的另一字节， 如此如此循环， 编辑， 放歌， 两不误。 但假如， 没有中断， 每写一个字， CPU就是不断地在等待硬盘写的完成， 注意， 这里是忙等待， 也就是说不处理任何其它的事情， 就相当如下代码：
  10         while (disk_write_not_finished) {
  11                 sleep_a_while(); /* Do nothing, waiting for the finish of disk write */
  12         }
  13         go_on_with_the_next_char();
  14 当然， 结果可想而之， 编辑可以顺利进行， 但歌却一直被卡着， 尽管这个操作系统的是多任务的， 但显然不起作用。 这就相当于， 你什么事也不做就干等着， 不停的开门看看送餐有没到来， 我想这会是相当难受的！ 可想而知， 如系统没了中断， 一切就会变得很慢。
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  16 当然， 你也许会想， 有了中断， 上面的代码将会变成什么样。 简单地说， 它可以是这样：
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  18 -------------- 编辑器的某些代码(实事上， 编辑器不管这些事） ------------
  19         /*
  20          * 这个函数的功能将是把这个任务放入一个等待列表， 并将
  21          * CPU转让给其它程序， 如player。
  22          */
  23         sleep_on_disk_write();
  24 -------------------------------------------------------------------------
  25 而， 硬盘驱动将会有如下代码：
  26         TYPE disk_write(...)
  27         {
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  29                 /* do the write things here */
  30                 ...
  31                 ...
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  33                 /* Done with here */
  34                 wakeup_sleeper(）； /* 这行， 将会使CPU继续执行刚被打断的操作， 使CPU继续处理你输入的字符。
  35                 ....
  36         }
  37 注意到了没， 没了while（）忙等待。
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  39 5.3 中断的触发与处理
  40 本文之前也提到过些中断， 如BIOS int 0x13号磁盘相关的中断。 是的， 中断由int ＋ 中断号触发的。 然其实， 中断的处理也是一段程序， 只不过是不是直接地如以C函数的方式显示的， 而是由中断号定位的。 当然， 你可以把它看着是一个函数。 那如何根据中断号找到那断处理程序呢？
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  42 在古老的实模式下， 是有一个叫做IVT（Interrupt Vector Table）的表， 它如GDT一样， 也是张表， 也是个数组， 每一项有4字节， 前两字节存放的是CS段基址， 后两字节存放的是IP地址， 也就是OFF值。 合起来就是实模式下的CS：IP。 而这个地址就自然存放着相应中断号所对应的中断处理程序。
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  44 然而在， 在32位保护模式下， 情况稍微有点不同而且比较复杂， 它的这张不是IVT， 而是IDT（Interrupt Descriptor Table）， 每项如GDT一样， 也是有8个字节。中断描述符(Interrupt Descriptor)有三种， 为了简单起见， 我这里只列出了几个重要的域：
  45 31              16 15             0
  46 ------------------+----------------+ 8
  47 | Offset 16 - 31  |      xxxx      |
  48 ------------------+----------------+ 4
  49 |Segment Selector | Offset 00 - 15 |
  50 ------------------+----------------+ 0
  51 比如说我们执行int 0x0， 它就会在IDT中找第一个项， 取出Segment Selector， 就如第三章所讲， 它将找到该段的基址， 比如为int_base， 再抽出offset， init_base + offset便是0号中断程序所对应的地址了。
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  53 也正如GDT， IDT也有一个6字节对应的描述符， 如：
  54 struct idt_desc {
  55         unsigned short lenght;
  56         unsigned long long *addr;
  57 } __attribute__((packed));
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  59 注意， 在操作系统的开发过程中， 有些结构体得严格打包， 不然， 很可能会被编译器等做些优化而破坏了某些数据。  如上面的结构体， 应该严格按照如下的内存布局：
  60 0               1               3               5               7
  61 -----------------------------------------------------------------
  62 | Length       |              Addr              |
  63 -------------------------------------------------
  64 而不是，
  65 ------------------------------------------------------------------
  66 |                length        |             Addr               |
  67 -----------------------------------------------------------------
  68 是的， 编译很可能把你的代码优化成第二种格式， 但这显然跟idt描述述所要的不同， 所以， 也就不能正常工作。
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  71 5.4 中断处理程序的安装
  72 好的， 有了上面的背景， 那么接下来的安装也就简单多了。 假设我们现在要安装前16个中断（现暂且不管它们都是些什么中断），那么代码可以这样：
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  74         void idt_init()
  75         {
  76                 int i = 0;
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  78                 for (; i < 16; i++)
  79                         set_idt_entry(i, &reserved);
  80         }
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  82 是的， 就这么简单， 说白了也就是一个数组的初始化。 它的功能也很简单， 也就是把所有的中断处理程序都指向reserverd函数， 而该函数所要做的，也只要打印一些信息， 如下：
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  84         /*
  85          * The interrupt handler for all the interrups for now
  86          */
  87         static void reserved(void）
  88         {
  89                 printk("A interrupt occured!");
  90         }
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  92 是的， 还有一个函数， set_idt_entry， 真正做‘安装’的才是这个函数， 也很简单， 简写如下：
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  94         unsigned long long idt[256];     /* 作为全局变量 */
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  96         static void set_idt_entry(int int_num, void (*handler)(void))
  97         {
  98                 unsigned short *idt_entry = (unsigned short *)&idt[int_num];
  99
 100                 idt_entry[0] = handler && 0xffff;
 101                 idt entry[1] = 0x0008;               /* the CS segment selector */
 102                 idt_entry[2] = 0x0000;                /* Ignored for now */
 103                 idt_entry[3] = handler >> 16;
 104         }
 105 好的， 这就完成了。 当我们执行int 0x00（0－0xf都行）， 屏幕上将输出"A interrupt occured"。
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 107 5.5 8259A 可编程中断控制器
 108 好的， 我们的前16号中断都能正常工作了（实际并没有， 因为它们并有做好相关的处理， 只是打印一条信息说中断已发生， 但甚至没有给出是哪个中断发生了）。 现在稍微说下那16个中断都是干什么的。  这16个中断都是intel CPU上预留的， 但实际上intel预留了前32个中断，现只介绍几个：
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 110 第00号中断： int 0x00， 是除0错误， 当我们除0时， 便会引发这个中断。
 111 第03号中断： int 0x03， 中断， 多用于些调试软件的实现当中， 断点调试。
 112 第06号中断： int 0x06， 无效操作码（或叫机器码）
 113 第14号中断： int 0x0e， 缺页中断， 用于虚拟内存管理系统的实现
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 115 关于更多的中断及其细节， 请参考Intel System Programming Guide 3A卷手册。
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 117 但是这些中断是远远不够的， 如这里没有任何关于磁盘读取写入的中断， 时钟中断等等。 不过， 还好， 8259A[PIC spec]提供了这些中断， 只不过， 我们得做些初始化， 始得8259A能正常工作， 让它指向我们所需要的中断号与中断处理程序。 代码如下:
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 120 void ipc_install(void)
 121 {
 122         /* 0x11 表示初始化命令开始,是 ICW1 命令字 */
 123         outb_p(0x11, 0x20);  /* 发送到 8259A 主芯片 */
 124         outb_p(0x11, 0xa0);  /* 发送到 8259A 从芯片 */
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 126         outb_p(0x20, 0x21);  /* 发送主芯片 ICW2字， 告诉其开始中断号， 这里是0x20 */
 127         outb_p(0x28, 0xa1);  /* 从芯片起始中断号， 0x28 */
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 129         outb_p(0x04, 0x21);  /* 发送ICW3命令字， 主芯片的IR2连从芯片INT */
 130         outb_p(0x02, 0xa1);  /* 从芯片的INT连到主芯片的IR2引脚上 */
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 132         outb_p(0x01, 0x21);  /* 发送ICW4命令字， 表示初始化结束， 芯片就绪 */
 133         outb_p(0x01, 0xa1);
 134
 135         outb_p(0x11, 0x21);  /* 屏蔽所有中断请求 */
 136         outb_p(0x11, 0xa1);
 137 }
 138 这样， 8259A提供的中断就从0x20开始编号， 如时钟中断所对应的中断号就为0x20， 我们若要使时钟中断能正常工作， 可以在简写如下时钟的init函数如下：
 139 void timer_init(...)
 140 {
 141         ....
 142         ....
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 144         /* 设置时钟中断处理程序 */
 145         set_idt_entry(0x20,timer_interrupt);
 146         /* 开时钟中断 */
 147         outb(inb(0x21)&0xfe, 0x21);
 148 }
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 150 类似的， 软盘驱动， 键盘驱动亦可以这么写。 关于8259A就介绍到这， 关于其更详细的信息可参考相关的说明文档与书籍。
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 153 5.6 中断处理程序的实现
 154 上面已经把中断大多来龙去脉都讲了个大概， 唯一有点遗憾的是没有给出一个中断处理程序的实例， 现在将详细讲述中断处理程序的实现作为本章的结尾。
 155
 156 关于中断处理程序的实现， 之前讲到的函数调用栈很重要， 若之前的都能理解，那么中断程序实现起来也就不难以理解了， 只不过， 仍是稍微有些复杂。 中断大概可以为分两种， 一种是带出错码的， 另一种是没带出错码的， 这两种的栈结构如分别如下：
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 158 无出错码：
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 160 +--------+--------+
 161 |        | old ss |
 162 +--------+--------+
 163 |    old   esp    |
 164 +--------+--------+
 165 |    old  eflags  |
 166 +--------+--------+
 167 |        |  cs    |
 168 +--------+--------+
 169 |       eip       |
 170 +--------+--------+
 171
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 173 有出错码：
 174
 175 +--------+--------+
 176 |        | old ss |
 177 +--------+--------+
 178 |    old   esp    |
 179 +--------+--------+
 180 |    old  eflags  |
 181 +--------+--------+
 182 |        |  cs    |
 183 +--------+--------+
 184 +  error code     |
 185 +--------+--------+
 186 |       eip       |
 187 +--------+--------+
 188  所以， 有没这两种的中断处理程序稍微有点不同， 分别举例如下：
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 190 int 0x00， 无出错码：
 191 void divide_error_handler（void)
 192 {
 193         printk("You shouldn't divide with ZERO\n");
 194
 195         /* You  can add  your code here to do what you want */
 196         /* .... */
 197 }
 198
 199
 200 int 0x0d， 有出错码：
 201 void general_protection_handler(unsigned int err_code)
 202 {
 203         printk("The err_code is %08x\n", err_code);
 204
 205         /*  You can add more specific code here like this */
 206         switch (err_code) {
 207         case 0x00:
 208                 /* Tell ther user what this error is */
 209                 ....
 210                 ...
 211
 212         case 0x...:
 213                 ....
 214                 ...
 215         ....
 216         }
 217 }
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 219 5.7 小结
 220 至此， 关于中断的全部内容就大概讲这些， 由于篇幅所限，讲的很笼统， 有很多也只是一笔带过， 若想了解更多关于中断方面的内容， 你可以参考Intel官方文档， 以及Thunix， linux源代码。 毕竟源代码是最好的学习资料。
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 222 最后， 做个整理， 贴出interrpt_init函数的代码：
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 225 void trap_init(void)
 226 {
 227         int i;
 228         struct idt_desc {
 229                 unsigned short length;
 230                 unsigned long long  *address;
 231         } __attribute__((packed)) idt_descr = {256*8-1, idt};
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 233         ipc_install();
 234
 235         set_idt_entry(0,&divide_error);
 236         set_idt_entry(1,&debug);
 237         set_idt_entry(2,&nmi);
 238         set_idt_entry(3,&int3);
 239         set_idt_entry(4,&overflow);
 240         set_idt_entry(5,&bounds);
 241         set_idt_entry(6,&invalid_op);
 242         set_idt_entry(7,&device_not_available);
 243         set_idt_entry(8,&double_fault);
 244         set_idt_entry(9,&coprocessor_segment_overrun);
 245         set_idt_entry(10,&invalid_TSS);
 246         set_idt_entry(11,&segment_not_present);
 247         set_idt_entry(12,&stack_segment);
 248         set_idt_entry(13,&general_protection);
 249         set_idt_entry(14,&page_fault);
 250         set_idt_entry(15,&reserved);
 251         set_idt_entry(16,&coprocessor_error);
 252
 253         for (i=17;i < 48;i++)
 254                 set_idt_entry(i,&reserved);
 255
 256
 257
 258         __asm__ ("lidt %0\n\t"::"m"(idt_descr));  /* 最后别忘了要加载idt描述符 */
 259 }
 260
 261
 262
 263
 264