Bran的内核开发教程(bkerndev)-07 中断描述符表(IDT)

2019 年 11 月 4 日
筆記

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;  }