从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （六）中断设置和启用 IDT PIC

　　连界面都已经完工了，下一步要让鼠标动起来，键盘用起来，时钟跑起来，这只是最基本的中断，我们还要使用ＵＳＢ，串口等等有各种各样的中断，慢慢来吧
一、什么是中断
　　 中断是计算机体系中一个非常重要的概念，中断的产生是因为中央处理器CPU与外部设备的性能不匹配而采取的一种提高CPU利用率的改善机制。当多个外设同时请求CPU对其进行操作时，CPU如果采用线性任务处理方式时，执行一个任务对外设进行相应操作，其它任务和外设就必须等待，一直到当前正在执行的任务完毕，CPU才能执行下一个任务并进行相应的外设操作。由于CPU的运行速度远远大于其它的外设，所以在这样的线性工作机制下CPU的利用率非常的低。于是，人们就开始为提高CPU的利用率而改进CPU的工作方式。后来便诞生了中断机制。
　　中断就是让CPU中断当前的工作，转而去执行另外的任务。当任务完成，或达到某个特殊条件时，CPU再回过头来继续执行原来未完成的工作。比如：我们正在读一本书，这时电话铃声响了，我们要暂时中断读书这个任务，接起电话，等接完电话之后再回到读书这个任务中去。
　　异常是当CPU在执行当前任务时，出现了一些非正常的错误，CPU则暂停当前任务，转入错误处理程序，处理完毕后再回到原任务中继续执行。比如：我们正在读一本书，在边读边翻页的过程中，一不小心把一页纸撕坏了，那么只好先中断读书这个任务，用胶水把书页粘好，再回到中断前的位置继续读书。
二、x86中断的相关术语和知识
　　1、中断向量表：用过51单片机，stm32，或者做过arm裸板的小伙伴们对中断向量表这种东西一定不陌生，顾名思义，就是发生某一种中断的时候，我要到哪个函数中去执行啊？CPU当然不知道，所以我们要规定这样一个对应关系，比如说发生了1号中断，我们要到0x8000内存地址处处理这个中断，当然还有二号三号四号中断，一系列的中断我们要给他一个对应的关系，在实模式下，BIOS已经给我们配置好了一套中断向量表，就是我们设置显示模式用的int 10等，这是软中断，就是我通过程序触发的中断，其实这里的int 非常类似与jmp，但是也有很大的不同，中断的时候会把所有的寄存器入栈，什么意思呢，就是我会把所有的寄存器存储起来，保证我处理完这个中断后，可以完全恢复到我中断前的状态。有软中断当然还有硬中断，比如我敲了一下键盘，这个时候就会触发一个硬中断，会跳到键盘的处理代码处去。
　　
　　2、IDT：然而我们启动了保护模式，BIOS给我们配置的中断就无法使用了，我们必须要建立自己的中断向量表，x86体系给我们提供了这样的功能，那就是IDT，interrupt descriptor table，跟GDT非常非常的类似。
　　
　　3、PIC （Programmable Interrupt Controller）:可编程中断控制器，我们有了中断向量表并没有什么卵用，我们怎么才能知道触发了第几个中断呢，这时候PIC就派上了用场，几十年不衰的经典中断器就是8259A，可能学过计算机原理的都对这个东西深恶痛绝，考试不会丫！现在多核CPU使用的都是APIC，先进可编程中断控制器，基本所有的电脑都会配置这两款中断器来保证软件的兼容性，具体可以百度 intel编程手册（这是一本5000页+的书），当然手册是最详细最清晰最严谨的了。我们现在还是使用8259A，我们看看这个芯片是怎么跟CPU链接的。（现在的8259A都集成在南桥芯片上）
　　
　　当然这是非常非常非常简化版本，要不然我的大学计算机也不会这么惨了。
　　
　　4、ICW　初始化命令字：既然PIC是可编程的，我们怎么给它编程呢，这个时候就需要ICW，这一节本来就很枯燥，大家耐心看哈，一遍看不懂多看几遍，不贴图了，贴个网址
　　https://baike.baidu.com/item/8259A/11048399?fr=aladdin#1
　　这是8259A的百度百科。
　　继续正题，x86CPU串联有两个PIC控制器，为什么串联两个呢，因为一个的中断引脚数量太少了，只有八个，不够用，所以我们可以通过触发PIC2（从）的中断，将中断传给PIC1（主），然后由PIC1传给CPU，为什么不多串几个呢，那么多干嘛，两个已经够用了。所以ICW其实就是中断器的控制指令，8259A是通过向相应的端口写入特定的ICW来实现的，主8259A对应的端口地址为0x20和0x21，从8259A对应的端口地址是0xa0和0xa1。而ICW一共有4个，每一个都是具有特定格式的字节，下面看一下4个ICW的特定格式：
　　
　　５、OCW 操作命令字：这个是用来屏蔽中断、设定优先级和读取寄存器的命令字，同样有严格的格式规定，我们在这里只使用其屏蔽中断的功能，使用方法为修改OCW1，OCW1的每一个位对应了相应的引脚是否可以中断，0位可以中断，1位屏蔽中断
　　由于8259A只有一条地址线A0，所以它只能有两个端口地址，而8259A有7个命令字，每个命令字要写入相应的寄存器。为此，采取以下几点措施：
　　第一，以端口地址区分；
　　第二，把命令字中的某些位作为特征码来区分；
　　第三，以命令字的写入顺序来区分。
　　推荐博文：http://blog.csdn.net/yxc135/article/details/8763435

　　６、中断的处理过程：说了这么多，就是位为这一步打下基础的，最权威的中断处理过程在INTEL编程指南中有，但是写的略有些复杂，找到了一个简练的版本。
　　一个外部中断请求信号通过中断请求线IRQ（中断管脚，见上上图），传输到IMR（中断屏蔽寄存器），IMR根据所设定的中断屏蔽字（OCW1），决定是将其丢弃还是接受。如果可以接受，则8259A将IRR（中断请求暂存寄存器）中代表此IRQ的位置位，以表示此IRQ有中断请求信号，并同时向CPU的INTR（中断请求）管脚发送一个信号。但CPU这时可能正在执行一条指令，因此CPU不会立即响应。而当这CPU正忙着执行某条指令时，还有可能有其余的IRQ线送来中断请求，这些请求都会接受IMR的挑选。如果没有被屏蔽，那么这些请求也会被放到IRR中，也即IRR中代表它们的IRQ的相应位会被置1。
　　当CPU执行完一条指令时后，会检查一下INTR管脚是否有信号。如果发现有信号，就会转到中断服务，此时，CPU会立即向8259A芯片的INTA（中断应答）管脚发送一个信号。当芯片收到此信号后，判优部件开始工作，它在IRR中，挑选优先级最高的中断，将中断请求送到ISR（中断服务寄存器），也即将ISR中代表此IRQ的位置一，并将IRR中相应位置零，表明此中断正在接受CPU的处理。同时，将它的编号写入中断向量寄存器IVR的低三位（IVR正是由ICW2所指定的，不知你是否还记得ICW2的最低三位在指定时都是0，而在这里，它们被利用了！）这时，CPU还会送来第二个INTA信号，当收到此信号后，芯片将IVR中的内容，也就是此中断的中断号送上通向CPU的数据线。
　　这是搬的百度百科，咱们需要用的，其实就是初始化ICW，确定每一个中断管脚IRQ对应的中断号，比如说1号管脚有中断信号，这个引脚没有屏蔽，PIC就会向CPU输出设定的中断号，比如20号，CPU就会查一下20号中断对应的处理代码在什么位置，然后跳过去。
　　码字码了这么多，就是希望大家对中断有一个清晰的认识，因为这是硬件最最最重要的内容了，所有涉及硬件的编程都不会离开中断的操作。
三、具体实现方法
　　1、初始化PIC芯片
　　前边讲了这么多，其实就是很简单的几句代码。打开main.c，增加如下函数，别忘了把FunctionOut8这个函数声明进来，这个函数在functions.s中。

void InitPIC(){//PIC configuration://设置主8259A和从8259A    FunctionOut8(0x20,0x11);    FunctionOut8(0xa0,0x11);//设置IRQ0-IRQ7的中断向量为0x20-0x27    FunctionOut8(0x21,0x20);//设置IRQ8-IRQ15的中断向量为0x28-0x2f    FunctionOut8(0xa1,0x28);//使从片PIC2连接到主片上    FunctionOut8(0x21,0x04);    FunctionOut8(0xa1,0x02);//打开8086模式    FunctionOut8(0x21,0x01);    FunctionOut8(0xa1,0x01);//关闭IRQ0-IRQ7的0x20-0x27中断    FunctionOut8(0x21,0xff);//关闭IRQ8-IRQ15的0x28-0x2f中断    FunctionOut8(0xa1,0xff);}

　　2、初始化IDT
　　先看一下IDT每一项的格式

　　IDT与前面所学习的GDT类似，但是格式简单多了。
　　 　　Offset 0-15：中断服务程序ISR的偏移地址0-15位。
　　 　　Selector：中断服务程序ISR的选择子。
　　　　 DPL：中断服务程序运行等级。
　　　　 P：存在标志（segment-present flag）。
　　　　 Offset 16-31：中断服务程序ISR的偏移地址16-31位。
　　同样存在IDTR寄存器来保存IDT表在内存中的位置，寄存器格式同GDTR，前32位为基址，后16为表限，表示表的大小。
　　怎么实现呢，我们首先创建一个函数InitIDT，然后在函数里声明一个静态结构idt_struct，结构的内容为：
　　

    static struct idt_struct{    short   offset1;    short   selector;    short   no_use;    short   offset2;    } idt[0x30];//初始化0~0x30的中断

　　我打算先初始化0x00～0x30的中断，所以就把这个结构体实例化了，这个结构体在内存中是线性排布的，所以我们只需要把结构体的每个参数设定好，然后把结构体的大小和首地值给IDTR工作就完成了，说起来很简单，做起来也很简单，看一下InitIDT是怎么实现的：
　　

void InitIDT(){    static struct idt_struct{    short   offset1;    short   selector;    short   no_use;    short   offset2;    } idt[0x30];//初始化0~0x30的中断    int i;    ////////////#0，必须有0项    idt[0].offset1 = 0x00;    idt[0].selector = 0x00;    idt[0].no_use = 0x00;    idt[0].offset2 = 0x00;    for (i=1;i<0x30;i++)    {        idt[i].offset1 = (short)((int)(void*)DefaultIntCallBack-0x8200);        idt[i].selector = 0x0008;        idt[i].no_use = 0x8e00;        idt[i].offset2 = (short)(((int)(void*)DefaultIntCallBack-0x8200)>>16);      }    FunctionLidt(0x30*8-1,idt);}

　　简单解释一下，我们首先把idt-struct的第一项完全置为零，这是芯片要求我们这么做的，然后我们进行了一个循环，把#1~#0x30全都设置为同样的值，这个值是什么呢，offset1是前16位基址，我们定义了一个回调函数，当发生中断的时候就触发我们的函数DefaultIntCallBack，我这么写是什么意思呢，在C语言中，函数名跟汇编一样同样代表了地址，但由于在lds文件中规定了代码偏移0x8200，但是我们又进入了保护模式，所以使用绝对地址的时候要减去偏移量0x8200，先把它转换成指针类型，然后等效转换位int型，最后舍掉高16位，转换成short型，赋给了offset1，offset2也是同理的，只不过向右移动16位。选择子我们暂时定为系统代码段，即GDT#1。no_use是设置p位和DPL位，我们用最高权限，有效段来进行设定。
　　这样我们的表就做完了，然后我们要告诉系统我们的表在哪儿，我们自己都不知道表在哪，但是我们有指针啊，所以我们写了一个汇编函数FunctionLidt，用这个函数调用lidt命令来传入我们表的大小和首地值，看一下FunctionLidt又是怎么写的。首先我要给出FunctionLidt的参数结构
　　extern void FunctionLidt(short, void *);
　　void *是什么就不赘述了，不知道的可以去百第一下。
　　这里的参数安排是很讲究的，GCC编译器函数传参方式前边也已经说过了，从右向左依次push入栈，最后push指针入栈，所以我要把short放在void *的后边，这样与IDTR的排列就非常的相似了，但是不要忘记push是入栈了四个字节，所以short类型前边会补齐四字节导致段限与基址并不连续，是这样子的 （从右到左地址增加）
　　 32位基址 0000000000000000 16位段限，所以我们只要把16位段限与16个零换过来，然后将esp+6的内存地址赋给lidt就可以了，不知道这样说能不能懂。看一下怎么实现的：
　　

FunctionLidt: #void FunctionLidt(short,void *)    movw    4(%esp),    %ax    movw    %ax,        6(%esp)     lidt    6(%esp) #巧妙使用    ret

　　不要忘记global一下，我们的工作就完成了。
　　运行一下，切换到qemu的控制台，输入命令info registers，查看寄存器，IDT基址是0x9360，段限是0x17f
　　你的基址当然可能跟我的不同，我们的程序大小是不同的
　　
　　
　　再输入 x/200xb 0x9360 看一下0x9360存的什么，太好了，我们的表格打印出来了！信息完全没有错误（注意x86是小端模式，低位放在低地址）
　　
　　我们看一下表格给的回调函数，就是发生中断时调用的函数地址是0x04d9 但应该加上0x8200，
　　输入命令x/200i 0x86c9 反汇编一下看看这里是什么
　　先看看我的回调函数里写了什么：
　　

void DefaultIntCallBack()//回调函数{    PutString(100, 100,"There Is An INT!!!!\0",0xffffff);}

　　输入一段话，编译的话应该可以看到push0xffffff的传参过程，看看0x86c1+0x8200处有没有呢，成功！
　　
　　
　　所有的理论都通过了，剩下的就可以享受结果了。
　　FunctionLidt后边加个sti允许中断，然后在SysMain中写一个5/0，会触发int00除零中断（我会把系统中断表放到下边）

FunctionLidt: #void FunctionLidt(short,void *)    movw    4(%esp),    %ax    movw    %ax,        6(%esp)     lidt    6(%esp) #巧妙使用    sti    ret

　
　
　　中断函数被调用，输出了一段文字 This Is An INT！！！
　　这节总算结束了，下节整理一下代码，然后继续让鼠标和键盘动起来
　　系统中断表：