X86系统中断处理与特权级转移 软中断实现系统调用 用户态程序使用软中断扎内核调用内核态程序

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不会,中断整体是由 处理器 与 8259A中断控制器 共同管理的,虽然8259A可以不停的将中断请求发送给处理器,但是处理器有屏蔽中断的开关,只要当前中断处理还没有完成,就可以将IF置0 即不接受其他中断请求。
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处理器没有中断优先级的概念,它只有响应与不响应的概念,当在执行中断处理时,屏蔽外部中断请求时 不响应8259A发来的中断请求。相反 当中断服务程序完成时,重新开始响应8259A的中断请求。
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处理器拿到中断向量之后,就会到中断描述符表中查找对应的中断向量,进而找到一个中断描述符,然后继续特权级检查,最后将目标代码段的选择子加载到 cs寄存器,将中断服务程序的偏移地址加载的 ip寄存器,之后就可以执行 中断服务程序了。
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低特权级用户态代码段 执行软中断,此时就会发生特权级转移,转移到高特权级内核态代码段执行,此时 栈就会发生变化,既然特权级要转移到高特权级,那么栈就要使用高特权级的栈,于是相关的寄存器就要入栈,包括ss寄存器(栈基地址) esp寄存器(栈顶指针) 这两个寄存器信息 就是指向了 低特权级的栈,将这些寄存器值 压入高特权级栈中,标志寄存器的值也要入栈(eflags),然后返回地址也要入栈,即 cs寄存器的值 以及ip寄存器的值 也要入栈。至此 就可以取执行中断服务程序了,此时 cs寄存器指向了 内核态代码段, ip寄存器指向了 中断服务程序偏移地址,组合就是中断服务程序的入口地址,然后开始执行中断服务程序,执行到遇到 iret指令后 返回。所以 iret指令执行后 使处理器从内核态 返回到 用户态 ,即从高特权级代码段 切换到 低特权级代码段。
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inc.asm

; PIC-8259A Ports 
MASTER_ICW1_PORT                        equ     0x20
MASTER_ICW2_PORT                        equ     0x21
MASTER_ICW3_PORT                        equ     0x21
MASTER_ICW4_PORT                        equ     0x21
MASTER_OCW1_PORT                        equ     0x21
MASTER_OCW2_PORT                        equ     0x20
MASTER_OCW3_PORT                        equ     0x20

SLAVE_ICW1_PORT                         equ     0xA0
SLAVE_ICW2_PORT                         equ     0xA1
SLAVE_ICW3_PORT                         equ     0xA1
SLAVE_ICW4_PORT                         equ     0xA1
SLAVE_OCW1_PORT                         equ     0xA1
SLAVE_OCW2_PORT                         equ     0xA0
SLAVE_OCW3_PORT                         equ     0xA0

MASTER_EOI_PORT                         equ     0x20
MASTER_IMR_PORT                         equ     0x21
MASTER_IRR_PORT                         equ     0x20
MASTER_ISR_PORT                         equ     0x20

SLAVE_EOI_PORT                          equ     0xA0
SLAVE_IMR_PORT                          equ     0xA1
SLAVE_IRR_PORT                          equ     0xA0
SLAVE_ISR_PORT                          equ     0xA0

; Segment Attribute
DA_32       equ    0x4000
DA_LIMIT_4K    EQU       0x8000
DA_DR       equ    0x90
DA_DRW      equ    0x92
DA_DRWA     equ    0x93
DA_C        equ    0x98
DA_CR       equ    0x9A
DA_CCO      equ    0x9C
DA_CCOR     equ    0x9E

; Segment Privilege
DA_DPL0        equ      0x00    ; DPL = 0
DA_DPL1        equ      0x20    ; DPL = 1
DA_DPL2        equ      0x40    ; DPL = 2
DA_DPL3        equ      0x60    ; DPL = 3

; Special Attribute
DA_LDT       equ    0x82
DA_TaskGate  equ    0x85    ; 任务门类型值
DA_386TSS    equ    0x89    ; 可用 386 任务状态段类型值
DA_386CGate  equ    0x8C    ; 386 调用门类型值
DA_386IGate  equ    0x8E    ; 386 中断门类型值
DA_386TGate  equ    0x8F    ; 386 陷阱门类型值

; Selector Attribute
SA_RPL0    equ    0
SA_RPL1    equ    1
SA_RPL2    equ    2
SA_RPL3    equ    3

SA_TIG    equ    0
SA_TIL    equ    4

PG_P    equ    1    ; 页存在属性位
PG_RWR  equ    0    ; R/W 属性位值, 读/执行
PG_RWW  equ    2    ; R/W 属性位值, 读/写/执行
PG_USS  equ    0    ; U/S 属性位值, 系统级
PG_USU  equ    4    ; U/S 属性位值, 用户级

; 描述符
; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3                              ; 段基址, 段界限, 段属性
    dw    %2 & 0xFFFF                         ; 段界限1
    dw    %1 & 0xFFFF                         ; 段基址1
    db    (%1 >> 16) & 0xFF                   ; 段基址2
    dw    ((%2 >> 8) & 0xF00) | (%3 & 0xF0FF) ; 属性1 + 段界限2 + 属性2
    db    (%1 >> 24) & 0xFF                   ; 段基址3
%endmacro                                     ; 共 8 字节

; 门
; usage: Gate Selector, Offset, DCount, Attr
;        Selector:  dw
;        Offset:    dd
;        DCount:    db
;        Attr:      db
%macro Gate 4
    dw    (%2 & 0xFFFF)                      ; 偏移地址1
    dw    %1                                 ; 选择子
    dw    (%3 & 0x1F) | ((%4 << 8) & 0xFF00) ; 属性
    dw    ((%2 >> 16) & 0xFFFF)              ; 偏移地址2
%endmacro 

loader.asm

%include "inc.asm"

org 0x9000

jmp ENTRY_SEGMENT

;全局段描述符表
[section .gdt]
; GDT definition
;                                     段基址,           段界限,       段属性
GDT_ENTRY       :     Descriptor        0,                0,           0
;用户代码段 段描述符  3特权级 32位可执行代码段 3特权级
CODE32_DESC     :     Descriptor        0,        Code32SegLen - 1,    DA_C + DA_32 + DA_DPL3
VIDEO_DESC      :     Descriptor     0xB8000,         0x07FFF,         DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3
DATA32_DESC     :     Descriptor        0,        Data32SegLen - 1,    DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3
;特权级3栈段 描述符 3特权级
STACK32U_DESC   :     Descriptor        0,         TopOfStack32U,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3
;特权级0栈段 描述符 0特权级
STACK32K_DESC   :     Descriptor        0,         TopOfStack32K,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0
;TSS任务状态段 段描述符 0特权级
TSS_DESC        :     Descriptor        0,            TSSLen - 1,      DA_386TSS + DA_DPL0
;内核代码段 段描述符  0特权级 32位可执行代码段 0特权级
KERNEL32_DESC   :     Descriptor        0,      Kernel32SegLen - 1,    DA_C + DA_32 + DA_DPL0
; GDT end

GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY

GdtPtr:
          dw   GdtLen - 1
          dd   0         
          
; GDT Selector
;用户态代码段 段描述符 选择子
Code32Selector   equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
VideoSelector    equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
Data32Selector   equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
;特权级3栈段描述符 选择子
Stack32USelector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
;特权级0栈段描述符 选择子
Stack32KSelector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
;TSS任务状态段 段描述符选择子
TSSSelector      equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
;内核代码段 段描述符 选择子
Kernel32Selector equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
; end of [section .gdt]

;中断描述符表  每一个中断描述符(中断门)特权级都是3  当做蹦床 跳转到 更高特权级代码段 类似于调用门
[section .idt]
align 32
[bits 32]
IDT_ENTRY:
; IDT definition
;                        Selector,           Offset,       DCount,    Attribute
%rep 32
              Gate    Kernel32Selector,    DefaultHandler,   0,         DA_386IGate + DA_DPL3
%endrep

Int0x20   :   Gate    Kernel32Selector,    TimerHandler,     0,         DA_386IGate + DA_DPL3

%rep 95
              Gate    Kernel32Selector,    DefaultHandler,   0,         DA_386IGate + DA_DPL3
%endrep

Int0x80   :   Gate    Kernel32Selector,    Int0x80Handler,   0,         DA_386IGate + DA_DPL3

%rep 127
              Gate    Kernel32Selector,    DefaultHandler,   0,         DA_386IGate + DA_DPL3
%endrep

IdtLen    equ    $ - IDT_ENTRY
;中断描述符表所对应的指针结构
IdtPtr:
          dw    IdtLen - 1 ;界限
          dd    0 ;起始位置 暂时为0 后面初始化

; end of [section .idt]

TopOfStack16    equ 0x7c00

;TSS任务状态段  本质上也是一块内存,所以也需要遵循32位保护模式的编程规则,需要定义对应的段描述符+选择子
[section .tss]
[bits 32]
TSS_SEGMENT:
    dd    0
    dd    TopOfStack32K       ; 0 特权级对应的栈信息:栈顶指针
    dd    Stack32KSelector    ; 0 特权级对应的栈信息:栈段基指针
    dd    0                   ; 1 特权级对应的栈信息 暂时为空
    dd    0                   ;
    dd    0                   ; 2 特权级对应的栈信息 暂时为空
    dd    0                   ;
    times 4 * 18 dd 0		  ; 往下全部定义为0,因为次实验不涉及多任务切换,所以不需要使用那些保存寄存器值的字段
    dw    0
    dw    $ - TSS_SEGMENT + 2
    db    0xFF				  ; 结束符
    
TSSLen    equ   $ - TSS_SEGMENT

[section .dat]
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
    DTOS               db  "D.T.OS!", 0
    DTOS_OFFSET        equ DTOS - $$
    INT_80H            db  "int 0x80", 0
    INT_80H_OFFSET     equ INT_80H - $$

Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT

[section .s16]
[bits 16]
ENTRY_SEGMENT:
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, TopOfStack16
    
    ;初始化用户代码段 段描述符
    mov esi, CODE32_SEGMENT
    mov edi, CODE32_DESC
    
    call InitDescItem
    mov esi, DATA32_SEGMENT
    mov edi, DATA32_DESC
    
    call InitDescItem
    
	;初始化 特权级3 栈段 段描述符
    mov esi, STACK32U_SEGMENT
    mov edi, STACK32U_DESC
    call InitDescItem
	
    ;初始化 特权级0 栈段 段描述符
    mov esi, STACK32K_SEGMENT
    mov edi, STACK32K_DESC
    call InitDescItem
    
	;初始化TSS段
    mov esi, TSS_SEGMENT
    mov edi, TSS_DESC
    call InitDescItem
    
	;初始化内核代码段 段描述符
    mov esi, KERNEL32_SEGMENT
    mov edi, KERNEL32_DESC
    
    call InitDescItem
    
    ; initialize GDT pointer struct
    mov eax, 0
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, GDT_ENTRY
    mov dword [GdtPtr + 2], eax
    
    ; initialize IDT pointer struct
    mov eax, 0
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, IDT_ENTRY
    mov dword [IdtPtr + 2], eax

    ; 1. load GDT
    lgdt [GdtPtr]
    
    ; 2. close interrupt
    ;    load IDT
    ;    set IOPL to 3
    cli 
    
    lidt [IdtPtr]
    
    pushf
    pop eax
    
    or eax, 0x3000
    
    push eax
    popf
    
    ; 3. open A20
    in al, 0x92
    or al, 00000010b
    out 0x92, al
    
    ; 4. enter protect mode
    mov eax, cr0
    or eax, 0x01
    mov cr0, eax
    
    ; 5. load TSS
    mov ax, TSSSelector
    ltr ax
    
    ; 6. jump to 32 bits code
    ; jmp dword Code32Selector : 0
	; retf 降特权级
    push Stack32USelector ;指定对应特权级的栈基地址
    push TopOfStack32U  ;指定对应特权级的栈顶地址
    push Code32Selector ;指定对应特权级代码段
    push 0
    retf ;降特权级执行


; esi    --> code segment label
; edi    --> descriptor label
InitDescItem:
    push eax

    mov eax, 0
    mov ax, cs
    shl eax, 4
    add eax, esi
    mov word [edi + 2], ax
    shr eax, 16
    mov byte [edi + 4], al
    mov byte [edi + 7], ah
    
    pop eax
    
    ret

;模拟用户态程序 特权级3    
[section .s32]
[bits 32]
CODE32_SEGMENT:   
    mov ax, VideoSelector
    mov gs, ax
    
    mov ax, Stack32USelector
    mov ss, ax
    
	;用户态 3特权级 栈信息
    mov eax, TopOfStack32U
    mov esp, eax
    
    mov ax, Data32Selector
    mov ds, ax
    
    
    mov ebp, DTOS_OFFSET
    mov dh, 12
    mov dl, 33
    
    call Printf ;软中断 模拟系统调用 打印字符串
    
    call InitDevInt ;软中断 模拟系统调用 初始化外部设备
     
    call EnableTimer ;外部中断 模拟系统调用 放行外部的时钟中断
    
    jmp $

;外部设备中断初始化 软中断模拟系统调用
;
InitDevInt:
    push ax
    
    mov ax, 0
	
    ; 0x80中断设计,模拟系统调?
    int 0x80
    
    sti ;打开中断屏蔽总开关
    
    pop ax
    ret
    
;打印字符串函数	 软中断模拟系统调用
; ds:ebp    --> string address
; dx        --> dh : row, dl : col  
Printf:
    push ax
    push bx
    
	; 0x80中断设计,模拟系统调用
    mov ax, 1   ;字符串打印功能
    mov bx, 0x0C
    int 0x80
    
    pop bx
    pop ax
    ret
    
; 放行外部的时钟中断 软中断模拟系统调用
;
EnableTimer:
    push ax
    
    mov ax, 2
    
    int 0x80
    
    pop ax
    ret
    
Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT

;模拟内核代码段 特权级0 代码段
[section .knl]
[bits 32] ;32位内核代码段
KERNEL32_SEGMENT:         
;
;
DefaultHandlerFunc:
    iret
    
DefaultHandler    equ    DefaultHandlerFunc - $$
    
;软中断 中断处理函数, 模拟系统调用
;
Int0x80HandlerFunc:
ax0:
    cmp ax, 0 ; 外部设备中断初始化
    jnz ax1
    call InitDevIntFunc
    iret
ax1:
    cmp ax, 1 ;打印字符串功能
    jnz ax2 ;如果不是 跳转到 ax2
    call PrintString
    iret
ax2:
    cmp ax, 2 ; 放行外部的时钟中断
    jnz ax3
    call EnableTimerFunc
    iret
ax3:
    iret
    
Int0x80Handler    equ    Int0x80HandlerFunc - $$

;时钟中断函数
;
TimerHandlerFunc:
    push ax
    push dx
    
    mov ax, [gs:((80 * 14 + 36) * 2)]
    
    cmp al, '9'
    je throtate
    inc al
    jmp thshow

throtate:
    mov al, '0'
    
thshow:
    mov [gs:((80 * 14 + 36) * 2)], ax
    
    mov dx, MASTER_OCW2_PORT
    call WriteEOI
    
    pop dx
    pop ax
    
    iret
    
TimerHandler    equ    TimerHandlerFunc - $$

;延时函数
;
Delay:
    %rep 5
    nop
    %endrep
    ret
    
;初始化8259A
;
Init8259A:
    push ax
    
    ; master
    ; ICW1
    mov al, 00010001B
    out MASTER_ICW1_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW2
    mov al, 0x20
    out MASTER_ICW2_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW3
    mov al, 00000100B
    out MASTER_ICW3_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW4
    mov al, 00010001B
    out MASTER_ICW4_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; slave
    ; ICW1
    mov al, 00010001B
    out SLAVE_ICW1_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW2
    mov al, 0x28
    out SLAVE_ICW2_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW3
    mov al, 00000010B
    out SLAVE_ICW3_PORT, al
    
    call Delay
    
    ; ICW4
    mov al, 00000001B
    out SLAVE_ICW4_PORT, al
    
    call Delay
    
    pop ax
    
    ret
    
; al --> IMR register value  写中断屏蔽寄存器
; dx --> 8259A port
WriteIMR:
    out dx, al
    call Delay
    ret
    
; dx --> 8259A 读中断屏蔽寄存器
; return:
;     ax --> IMR register value
ReadIMR:
    in ax, dx
    call Delay
    ret

;
; dx --> 8259A port 手动结束中断
WriteEOI:
    push ax
    
    mov al, 0x20
    out dx, al
    
    call Delay
    
    pop ax
    
    ret

;打开 主8259A 对应引脚中断屏蔽 即打开中断分开关
;
EnableTimerFunc:
    push ax
    push dx
    
    mov ah, 0x0C
    mov al, '0'
    mov [gs:((80 * 14 + 36) * 2)], ax
    
    mov dx, MASTER_IMR_PORT
    
    call ReadIMR
    
    and ax, 0xFE
    
    call WriteIMR
    
    pop dx
    pop ax
    
    ret
    
; 外部设备中断初始化
;
InitDevIntFunc:
    push ax
    push dx
    ;初始化8259A
    call Init8259A
    
	;设置8259A 屏蔽主8259A所有外部设备的中断
    mov ax, 0xFF
    mov dx, MASTER_IMR_PORT
    call WriteIMR
    
	;设置8259A 屏蔽从8259A所有外部设备的中断
    mov ax, 0xFF
    mov dx, SLAVE_IMR_PORT
    call WriteIMR
    
    pop dx
    pop ax
    ret

; ds:ebp    --> string address
; bx        --> attribute
; dx        --> dh : row, dl : col
PrintString:
    push ebp
    push eax
    push edi
    push cx
    push dx
    
print:
    mov cl, [ds:ebp]
    cmp cl, 0
    je end
    mov eax, 80
    mul dh
    add al, dl
    shl eax, 1
    mov edi, eax
    mov ah, bl
    mov al, cl
    mov [gs:edi], ax
    inc ebp
    inc dl
    jmp print

end:
    pop dx
    pop cx
    pop edi
    pop eax
    pop ebp
    
    ret

Kernel32SegLen    equ    $ - KERNEL32_SEGMENT ;内核代码段长度

;特权级3 栈段
[section .gsu]
[bits 32]
STACK32U_SEGMENT:
    times 1024 * 4 db 0
    
Stack32USegLen equ $ - STACK32U_SEGMENT ;栈长
TopOfStack32U  equ Stack32USegLen - 1 ;栈顶

;特权级0 栈段
[section .gsk]
[bits 32]
STACK32K_SEGMENT:
    times 1024 * 4 db 0
    
Stack32KSegLen equ $ - STACK32K_SEGMENT ;栈长
TopOfStack32K  equ Stack32KSegLen - 1 ;栈顶
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