6 实模式下的中断机制

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李延 LV6 2022-06-24

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# 1 什么是中断

https://zh.m.wikipedia.org/zh-hant/%E4%B8%AD%E6%96%B7

在计算机科学中，中断（英语：Interrupt）是指处理器接收到来自硬体或软体的信号，提示发生了某个事件，应该被注意，这种情况就称为中断。

通常，在接收到来自外围硬件（相对于中央处理器和内存）的异步信号，或来自软件的同步信号之后，处理器将会进行相应的硬件／软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求（interrupt request，IRQ）。硬件中断导致处理器通过一个执行资讯切换（context switch）来保存执行状态（以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主）；软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令，以可编程的方式直接指示这种执行资讯切换，并将处理导向一段中断处理代码。中断在计算机多任务处理，尤其是即时系统中尤为有用。这样的系统，包括运行于其上的操作系统，也被称为「中断驱动的」（interrupt-driven）。

# 2 中断分类

在 Intel 手册上 是这样描述的。

![image-20220613154753324](https://www.lioyan.cn/data/image-20220613154753324.png)

简单理解为：

处理器提供了两种中断程序执行的机制:中断和异常:

- 中断：**CPU 提供了两种中断程序执行的机制，中断和异常**，比如点击一下鼠标、敲击一下键盘等。

- 异常：**异常是一个同步事件，是 CPU 在执行指令时检测到的反常条件**。比如除法异常、错误指令异常，缺页异常等。

其实两种殊途同归，相当于为我们的cpu提供一个异步通知的机制。

当中断或异常时是有信号的，处理器暂停当前程序或任务的执行，并切换到一个处理过程已专门编写用于处理中断或异常情况。处理器访问处理程序过程通过中断描述符表(IDT)中的一个条目。当处理程序完成对中断或异常，程序控制返回到中断的程序或任务。

# 3 中断向量表

操作系统的代码可以通过 **LIDT 指令**，将中断描述符表的地址放在这个寄存器里。

操作系统把这个的地址用 **LIDT** 指令放在 **IDTR 寄存器**就行了。在实模式下每16位为一个元素，保存的就是中断发生后需要跳转的地址

# 4 中断执行流程

**CPU 在收到一个中断号并且找到了中断描述符之后，究竟做了哪些事**？

其实就是将中断程序地址取出来，然后赋值给ip，使程序跳转到中断程序处执行。

当然，除了跳转外，cpu还帮助我们程序员做了好多额外的事情，包括：

***1.*** 如果发生了特权级转移，压入之前的堆栈段寄存器 SS 及栈顶指针 ESP 保存到栈中，并将堆栈切换为 TSS 中的堆栈。（后面保护模式详细说明）

***2.*** 压入标志寄存器 EFLAGS。

***3.*** 压入之前的代码段寄存器 CS 和指令寄存器 EIP，相当于压入返回地址。

***4.*** 如果此中断有错误码的，压入错误码 ERROR_CODE

***5.*** 结束（通过iret指令）

# 5 cpu默认中断

cpu默认在发生一下异常时，触发如下中断：

![image-20220613155413771](https://www.lioyan.cn/data/image-20220613155413771.png)

# 6 示例

## 6.1 使用中断

在Hello, World! 程序中，我们就使用了中断，`int 0x1301`。 它时bios定义的异常。

## 6.2 自定义中断并调用

我们本节目标时是自己设置中断向量表，并触发中断，观察一下运行情况。

但应为我们修改了中断，所以没办法再使用bios自己的中断打印字符，所以这里我们只是debug观察代码的跳转

```asm
    .code16
   .global _start
   .equ BOOTSEG, 0x07c0      # original address of boot-sector
_start:
    mov $BOOTSEG,%ax
    mov %ax,%es
    mov %ax,%ss
    mov %ax,%ds
    mov $0x400,%sp  # 设置栈指针

cli  #禁止中断发生， 我们下面将要改中断向量了，所以先吧中断禁止了

## 设置中断向量表地址，
    lidt idt_48

# 设置0x00 中断
    mov $0x0300,%bx
    mov $0x07c00,%ax
    add $int_err1,%ax
    mov %ax,(%bx)

# 设置0x01 中断
    mov $0x0304,%bx
    mov $0x07c00,%ax
    add $int_err2,%ax
    mov %ax,(%bx)
	sti

int $0x0
   int $0x1
   ret

int_err1:
   mov $1,%bx
   mov $19,%cx
   iret

int_err2:
   mov $1,%bx
   mov $19,%cx
   iret

idt_48:
   .word  0x0100       # 设置中断长度
   .word  0x07f00,0        # 设置中断向量表地址

.org 510
boot_flag:
   .word 0xAA55
```

我们看到发生0x00 中断时， 代码跳转到了int_err1处：

![image-20220613182245260](https://www.lioyan.cn/data/image-20220613182245260.png)

发生0x01 中断时， 代码跳转到了int_err2处：

![image-20220613184435517](https://www.lioyan.cn/data/image-20220613184435517.png)

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