hurlex <八> 完成中断请求和定时器中断

2014-09-13 posted in [hurlex开发文档]

在上一章中我们完成了中断处理程序的框架，本章在其基础上讨论中断请求的实现。

我们在上一章中提到，外设的所有中断由中断控制芯片8259A统一汇集之后连接到CPU的INTR引脚。1这章我们就来探究8259APIC的初始化和实现定时器的中断处理。

8259APIC每一片可以管理8个中断源，显然一般情况下设备数量会超过这个值。这里就要提到IBM PC/AT 8259A PIC架构了，IBM的设计方案是使用8259APIC的级联功能，使用两片级联（分为主、从片）的方式来管理硬件中断。其中主片的INT端连接到CPU的INTR引脚，从片的INT连接到主片的IR2引脚。结构如下图所示：

8259A PIC级联

图中时钟中断连接在主片的IRQ0引脚，键盘中断连接在了主片的IRQ1引脚。其它的引脚暂时用不到就不说了。在上一张描述中断描述符表时我们知道了0～31号中断是CPU使用和保留的，用户可以使用的中断从32号开始。所以这里的IRQ0对应的中断号就是32号，IRQ1就是33号，然后以此类推。

理论就暂时阐述到这里，接下来是实现代码。首先是对8259A PIC的初始化，在设置中断描述符表的函数init_idt最前面加入如下代码：

  1. // 初始化中断描述符表
  2. void init_idt()
  3. { 
  4.     // 重新映射 IRQ 表
  5.     // 两片级联的 Intel 8259A 芯片
  6.     // 主片端口 0x20 0x21
  7.     // 从片端口 0xA0 0xA1
  9.     // 初始化主片、从片
  10.     // 0001 0001
  11.     outb(0x20, 0x11);
  12.     outb(0xA0, 0x11);
  14.     // 设置主片 IRQ 从 0x20(32) 号中断开始
  15.     outb(0x21, 0x20);
  17.     // 设置从片 IRQ 从 0x28(40) 号中断开始
  18.     outb(0xA1, 0x28);
  20.     // 设置主片 IR2 引脚连接从片
  21.     outb(0x21, 0x04);
  23.     // 告诉从片输出引脚和主片 IR2 号相连
  24.     outb(0xA1, 0x02);
  26.     // 设置主片和从片按照 8086 的方式工作
  27.     outb(0x21, 0x01);
  28.     outb(0xA1, 0x01);
  30.     // 设置主从片允许中断
  31.     outb(0x21, 0x0);
  32.     outb(0xA1, 0x0);
  34.       ... ...
  35. }

对8259A PIC具体的设置我们不再阐述，这种资料网上铺天盖地的都是。相信结合注释很容易理解这个简单的初始化过程。

完成了初始化之后，我们继续添加对IRQ处理函数的添加。首先是在idt.h头文件末尾添加如下内容：

  1. // IRQ 处理函数
  2. void irq_handler(pt_regs *regs);
  4. // 定义IRQ
  5. #define  IRQ0     32    // 电脑系统计时器
  6. #define  IRQ1     33    // 键盘
  7. #define  IRQ2     34    // 与 IRQ9 相接，MPU-401 MD 使用
  8. #define  IRQ3     35    // 串口设备
  9. #define  IRQ4     36    // 串口设备
  10. #define  IRQ5     37    // 建议声卡使用
  11. #define  IRQ6     38    // 软驱传输控制使用
  12. #define  IRQ7     39    // 打印机传输控制使用
  13. #define  IRQ8     40    // 即时时钟
  14. #define  IRQ9     41    // 与 IRQ2 相接，可设定给其他硬件
  15. #define  IRQ10    42    // 建议网卡使用
  16. #define  IRQ11    43    // 建议 AGP 显卡使用
  17. #define  IRQ12    44    // 接 PS/2 鼠标，也可设定给其他硬件
  18. #define  IRQ13    45    // 协处理器使用
  19. #define  IRQ14    46    // IDE0 传输控制使用
  20. #define  IRQ15    47    // IDE1 传输控制使用
  22. // 声明 IRQ 函数
  23. // IRQ:中断请求(Interrupt Request)
  24. void irq0();        // 电脑系统计时器
  25. void irq1();        // 键盘
  26. void irq2();        // 与 IRQ9 相接，MPU-401 MD 使用
  27. void irq3();        // 串口设备
  28. void irq4();        // 串口设备
  29. void irq5();        // 建议声卡使用
  30. void irq6();        // 软驱传输控制使用
  31. void irq7();        // 打印机传输控制使用
  32. void irq8();        // 即时时钟
  33. void irq9();        // 与 IRQ2 相接，可设定给其他硬件
  34. void irq10();       // 建议网卡使用
  35. void irq11();       // 建议 AGP 显卡使用
  36. void irq12();       // 接 PS/2 鼠标，也可设定给其他硬件
  37. void irq13();       // 协处理器使用
  38. void irq14();       // IDE0 传输控制使用
  39. void irq15();       // IDE1 传输控制使用

然后是idt_s.s中添加相应的处理过程：

  1. ; 构造中断请求的宏
  2. %macro IRQ 2
  3. [GLOBAL irq%1]
  4. irq%1:
  5.     cli
  6.     push byte 0
  7.     push byte %2
  8.     jmp irq_common_stub
  9. %endmacro
  11. IRQ   0,    32  ; 电脑系统计时器
  12. IRQ   1,    33  ; 键盘
  13. IRQ   2,    34  ; 与 IRQ9 相接，MPU-401 MD 使用
  14. IRQ   3,    35  ; 串口设备
  15. IRQ   4,    36  ; 串口设备
  16. IRQ   5,    37  ; 建议声卡使用
  17. IRQ   6,    38  ; 软驱传输控制使用
  18. IRQ   7,    39  ; 打印机传输控制使用
  19. IRQ   8,    40  ; 即时时钟
  20. IRQ   9,    41  ; 与 IRQ2 相接，可设定给其他硬件
  21. IRQ  10,    42  ; 建议网卡使用
  22. IRQ  11,    43  ; 建议 AGP 显卡使用
  23. IRQ  12,    44  ; 接 PS/2 鼠标，也可设定给其他硬件
  24. IRQ  13,    45  ; 协处理器使用
  25. IRQ  14,    46  ; IDE0 传输控制使用
  26. IRQ  15,    47  ; IDE1 传输控制使用
  28. [GLOBAL irq_common_stub]
  29. [EXTERN irq_handler]
  30. irq_common_stub:
  31.     pusha                ; pushes edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax
  33.     mov ax, ds
  34.     push eax             ; 保存数据段描述符
  36.     mov ax, 0x10         ; 加载内核数据段描述符
  37.     mov ds, ax
  38.     mov es, ax
  39.     mov fs, ax
  40.     mov gs, ax
  41.     mov ss, ax
  43.     push esp
  44.     call irq_handler
  45.     add esp, 4
  47.     pop ebx              ; 恢复原来的数据段描述符
  48.     mov ds, bx
  49.     mov es, bx
  50.     mov fs, bx
  51.     mov gs, bx
  52.     mov ss, bx
  54.     popa                 ; Pops edi,esi,ebp...
  55.     add esp, 8           ; 清理压栈的 错误代码 和 ISR 编号
  56.     iret                 ; 出栈 CS, EIP, EFLAGS, SS, ESP
  57. .end:

最后是init_idt函数构造IRQ的相关描述符和具体的IRQ处理函数了。

  1. // 初始化中断描述符表
  2. void init_idt()
  3. { 
  4.     ... ...
  5.     idt_set_gate(31, (uint32_t)isr31, 0x08, 0x8E);
  7.     idt_set_gate(32, (uint32_t)irq0, 0x08, 0x8E);
  8.     idt_set_gate(33, (uint32_t)irq1, 0x08, 0x8E);
  9.     idt_set_gate(34, (uint32_t)irq2, 0x08, 0x8E);
  10.     idt_set_gate(35, (uint32_t)irq3, 0x08, 0x8E);
  11.     idt_set_gate(36, (uint32_t)irq4, 0x08, 0x8E);
  12.     idt_set_gate(37, (uint32_t)irq5, 0x08, 0x8E);
  13.     idt_set_gate(38, (uint32_t)irq6, 0x08, 0x8E);
  14.     idt_set_gate(39, (uint32_t)irq7, 0x08, 0x8E);
  15.     idt_set_gate(40, (uint32_t)irq8, 0x08, 0x8E);
  16.     idt_set_gate(41, (uint32_t)irq9, 0x08, 0x8E);
  17.     idt_set_gate(42, (uint32_t)irq10, 0x08, 0x8E);
  18.     idt_set_gate(43, (uint32_t)irq11, 0x08, 0x8E);
  19.     idt_set_gate(44, (uint32_t)irq12, 0x08, 0x8E);
  20.     idt_set_gate(45, (uint32_t)irq13, 0x08, 0x8E);
  21.     idt_set_gate(46, (uint32_t)irq14, 0x08, 0x8E);
  22.     idt_set_gate(47, (uint32_t)irq15, 0x08, 0x8E);
  24.     // 255 将来用于实现系统调用
  25.     idt_set_gate(255, (uint32_t)isr255, 0x08, 0x8E);
  27.      ... ...
  28. }
  30. // IRQ 处理函数
  31. void irq_handler(pt_regs *regs)
  32. {
  33.     // 发送中断结束信号给 PICs
  34.     // 按照我们的设置，从 32 号中断起为用户自定义中断
  35.     // 因为单片的 Intel 8259A 芯片只能处理 8 级中断
  36.     // 故大于等于 40 的中断号是由从片处理的
  37.     if (regs->int_no >= 40) {
  38.         // 发送重设信号给从片
  39.         outb(0xA0, 0x20);
  40.     }
  41.     // 发送重设信号给主片
  42.     outb(0x20, 0x20);
  44.     if (interrupt_handlers[regs->int_no]) {
  45.         interrupt_handlers[regs->int_no](regs);
  46.     }
  47. }

结合代码中详细的注释和本章开始的8259A PIC的结构图，详细很容易理解这个处理过程。其实IRQ和ISR的处理过程很类似：

  • ISR的处理过程是 (isr0 - isr31) -> isr_common_stub -> isr_handler -> 具体的ISR处理函数。

  • IRQ的处理过程是 (irq0 - irq15) -> irq_common_stub -> irq_hanlder -> 具体的IRQ处理函数。

写到这里具体的IRQ处理过程就完成了，以后只需要设置好相应的处理函数就好了，接下来我们实现时钟中断的产生和处理。

时钟中断对于操作系统内核来说很重要的一种中断，它使得CPU无论在执行任何用户或者内核的程序时，都能定义的将执行权利交还到CPU手中来。2除了记录时间之外，时钟中断的处理函数里通常都是对进程的调度处理。

具体的时钟中断源是8253/8254 Timer产成的，要按照需要的频率产生中断，需要先配置8253/8254 Timer芯片。代码如下：

  1. #include "timer.h"
  2. #include "debug.h"
  3. #include "common.h"
  4. #include "idt.h"
  6. void timer_callback(pt_regs *regs)
  7. {
  8.     static uint32_t tick = 0;
  9.     printk_color(rc_black, rc_red, "Tick: %d\n", tick++);
  10. }
  12. void init_timer(uint32_t frequency)
  13. {
  14.     // 注册时间相关的处理函数
  15.     register_interrupt_handler(IRQ0, timer_callback);
  17.     // Intel 8253/8254 PIT芯片 I/O端口地址范围是40h~43h
  18.     // 输入频率为 1193180，frequency 即每秒中断次数
  19.     uint32_t divisor = 1193180 / frequency;
  21.     // D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
  22.     // 0  0  1  1  0  1  1  0
  23.     // 即就是 36 H
  24.     // 设置 8253/8254 芯片工作在模式 3 下
  25.     outb(0x43, 0x36);
  27.     // 拆分低字节和高字节
  28.     uint8_t low = (uint8_t)(divisor & 0xFF);
  29.     uint8_t hign = (uint8_t)((divisor >> 8) & 0xFF);
  31.     // 分别写入低字节和高字节
  32.     outb(0x40, low);
  33.     outb(0x40, hign);
  34. }

对应的头文件如下：

  1. #ifndef INCLUDE_TIMER_H_
  2. #define INCLUDE_TIMER_H_
  4. #include "types.h"
  6. void init_timer(uint32_t frequency);
  8. #endif  // INCLUDE_TIMER_H_

8253/8254 Timer有三种工作模式，我们使用第三种。init_timer函数的参数是所需的时钟中断的频率，具体的设置原理不再赘述。最后，修改入口函数进行测试：

  1. #include "console.h"
  2. #include "debug.h"
  3. #include "gdt.h"
  4. #include "idt.h"
  5.  #include "timer.h"
  7. int kern_entry()
  8. {
  9.     init_debug();
  10.     init_gdt();
  11.     init_idt();
  13.     console_clear();
  14.     printk_color(rc_black, rc_green, "Hello, OS kernel!\n");
  16.     init_timer(200);
  18.     // 开启中断
  19.     asm volatile ("sti");
  21.     return 0;
  22. }

最后编译执行，我们看到了如下的输出：

8253/8254 Timer 中断

  • 这里肯定会有读者提出来现代的计算机主板上早就使用APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller，高级可编程中断控制器）来进行外设的中断管理了。没错，但是我相信在本科阶段的微机原理和接口技术中学的是8259APIC（Programmable Interrupt Controller），而且无论硬件怎么发展，始终会兼容以前的接口。本着大家熟悉易理解的原则，我们依旧使用兼容的8259APIC（Programmable Interrupt Controller， 可编程中断控制器）的设置方法进行设置。 ↩

  • 当然了，屏蔽中断就没办法了。 ↩

原文:

http://wiki.0xffffff.org/posts/hurlex-8.html