3.4 保护模式下的中断和异常

以前，我们使用中断都是在实模式下进行的，如 int 15h 得到内存信息后在保护模式下把它们显示出来。原因在于，在保护模式下，中断机制发生了很大变化。

保护模式下，原来的中断向量表已经被IDT所代替，实模式下能用的BIOS中断在保护模式下已经不能用了。IDT跟GDT、LDT一样也是个描述符表，即中断描述符表 Interrupt Descriptor Table 。IDT中的描述符有三种：

• 中断门描述符；
• 陷阱门描述符；
• 任务门描述符（任务门不是每个操作系统都有的，比如Linux就没有，因此不做关注）

IDT的作用是：将每个中断向量和一个描述符对应起来。很像实模式下的中断向量表。在"调用门初体验"中提过，中断门和陷阱门是特殊的调用门，只不过调用门是 call 指令，这里使用 int 指令。因此本节内容只是原有内容上的一点改变。

中断向量对应到中断处理程序的过程如下：

中断门和陷阱门的结构如下，对比调用门发现，下面BYTE4的低5位变成了保留位而不是 ParamCount ，TYPE 的4位也将变成 0xE 中断门或 0xF 陷阱门，S 位依然是零：

1. 中断和异常机制

中断不仅涉及到处理器和指令，还包括和硬件的接口，比如8259A中断处理芯片。

中断通常在程序执行时因为硬件而随机发生，它们通常用来处理CPU外部的事件，比如外围设备的请求。软件通过执行 int n 指令也可以产生中断。异常则通常在处理器执行指令过程中检测到错误时发生，比如遇到零除的情况。处理器检测的错误条件有很多，比如保护违例、页错误等。

总之，中断和异常都是硬件或软件在发生某种情形后通知处理器的行为。保护模式下处理器可以处理的中断或异常如下表3.8：

• Fault、Trap 和 Abort 是异常的三种类型。
• Fault 错误，是一种可被更正的、任务不失连续性的异常。当一个 Fault 发生时，处理器会把产生 Fault 的指令之前的状态保存起来。异常处理程序的返回地址将会是产生 Fault 的指令，而不是其后的那条指令。
• Trap 陷阱，是一种在发生 Trap 的指令执行之后立即被报告的异常，同样允许程序不失连续性地执行。注意：异常处理程序的返回地址将会是产生 Trap 的指令之后的那条指令。图中，Trap 类型的异常只有2个，最常用的应该就是设置和调试断点。
• Abort 终止，不允许继续执行程序，是用来报告严重错误的。
  

2. 外部中断

这里看一下中断。中断产生的原因有两种，外部中断(硬件产生)和内部中断(int n 产生的软中断)。

int n 产生中断，n 为向量号，类似于调用门的使用，图见3.37 中断向量到中断处理程序的对应过程；外部中断的情况更复杂，分为不可屏蔽中断 NMI 和可屏蔽中断两种，分别由CPU的两根引脚 NMI 和 INTR 接受：

• NMI 不可屏蔽，与 IF 是否被设置无关，NMI 中断对应的中断向量号是 2 ；
• 为了建立可屏蔽中断和向量号间的对应关系，我们需要通过可编程中断控制器8259A——它是中断机制中所有外围设备的代理，不仅可以根据优先级在同时发生中断的设备中选择应该处理的请求，还可以通过设置寄存器来屏蔽和打开相应的中断。和CPU的连接如下图：
  和CPU相连的有两片级联8259A，每个8259A有8根中断信号，总共可以挂15个不同的外部设备。通过对8259A的设置，我们可以将这些设备的中断请求和中断向量对应起来。

BIOS初始化8259A时，IRQ0 ~ IRQ7 被设置为对应向量号 08h ~ 0Fh ，但是保护模式下向量号 08h ~ 0Fh 已经被占用了，我们必须重新设置主从8259A。

3. 设置和编程操作8259A

8259A是可编程中断控制器，通过向端口写入特定的初始化控制字 ICW (Initialization Command Word)进行设置，ICW共有4个，每个都是具有特定格式的字节。主8259A对应端口是 20h ~ 21h ，从8259A对应的端口地址 A0h ~ A1h 。初始化过程如下(顺序不可变化)：

1. 往端口20h（主片）或A0h（从片）写入ICW1。
2. 往端口21h（主片）或A1h（从片）写入ICW2，这里涉及到与中断向量的对应。
3. 往端口21h（主片）或A1h（从片）写入ICW3。
4. 往端口21h（主片）或A1h（从片）写入ICW4。
   

此外，还有 OCW (Operation Control Word) ，共有3个，其中 OCW1 是最常用的，它被写入中断屏蔽寄存器 IMR (Interrupt Mask Register) 中。我们用它屏蔽或打开外部中断，屏蔽时将对应位设为1即可：

如果我们想要通知8259A中断处理结束了，就需要使用 OCW2 。实模式下我们写汇编，当每一次中断处理结束时，需要发送一个 EOI 给8259A，通知它中断处理工作结束，继续接受其他中断。发送 EOI 需要往端口 20h/A0h 写入 OCW2 实现：

发送 EOI 给8259A可以使用下面的代码完成：

mov al, 20h
out 20h/A0h, al

编程时实际要做的工作就是设置8259A和建立IDT两个部分，以 pmtest8.asm 为基础进行修改得到 pmtest9.asm 。

这里将设置8259A的代码写成函数，它分别向主从8259A中写入了4个ICW。

• 主8259A写入ICW2时，由于IRQ0对应中断向量号0x20，于是IRQ0~IRQ7对应中断向量 20h ~ 27h ；从片中，IRQ8 ~ IRQ15 对应中断向量 28h ~ 2Fh 。这些中断向量号都处于用户定义中断的范围中：
• 后半段，我们设置了OCW1，仅开启定时器中断；
• 另外，每次I/O操作后，我们调用了延迟函数 io_delay 等待操作完成，这个延迟函数实际上就是4个nop指令：
  

4. 建立IDT

我们将IDT放入一个单独的段，用NASM的 %rep 预处理，设置255个同样的描述符，它们都指向 SelectorCode32:SpuriousHandler 中断门。

SpuriousHandler 将在屏幕右上角打印红色字符 ! ，然后进入死循环：

加载IDT的代码和对GDT的代码很像，执行 lidt 前用 cli 指令清 IF 位，暂时不响应可屏蔽中断：

到这里我们的中断机制就初始化完了，运行会发现无法正常回到实模式。如果要顺利回到实模式还需要将 IDTR 和8259A等恢复原样，这些代码参见 pmtest9.asm 。

5. 实现一个中断

初始化保护模式下的中断异常处理机制后，我们要实现一个中断。在此之前，我们试一下 int 指令的效果：ch3/i/pmtest9b.asm

[SECTIOIN .s32]
...
	call Init8259A
	int 080h
	...

由于IDT中所有描述符都指向 SelectorCode32:SpuriousHandler 处，所以调用几号中断都是打印红色字符 ! 再进入死循环。

修改后得到 ch3/i/pmtest9c.asm ，将 80h 号中断单独列出来，并新增一个函数 UserIntHandler 来处理这个中断，它通过 iretd 返回，而不是进入死循环：

运行 pmtest9c.asm 结果如下：

6. 时钟中断试验

上面的中断和调用门没有太大差别。不过下面我们将打开时钟中断 IRQ0 (对应 020h 号端口)，学点新的东西。

可屏蔽中断与NMI的区别在于是否受到IF位的影响，而8259A的中断屏蔽寄存器（IMR）也影响着中断是否会被响应。

所以，外部可屏蔽中断的发生就受到两个因素的影响，只有当 IF 位为1，并且 IMR 相应位为 0 时才会发生。

如果我们要打开时钟中断的话，需要设计一个中断处理程序，还要设置 IMR 和 IF 位，前者写 OCW2 实现，后者用 STI 完成。

简单的中断处理程序如下：
然后，开启时钟中断：

修改IDT，将 20h 号单独写成一个中断门，对应 IRQ0 ：

现在调用 80h 号中断后用 sti 打开中断，进行死循环(不然可能第一个时钟中断都没发生，程序就结束了)：

	int 080h
	sti
	jmp $

看到效果如下，时钟中断的实现证明我们对8259A的设置是正确无误的：pmtest9.asm

7. 几点额外说明

(1) 特权级变换

上面的代码始终运行在 ring0 ，实际应用中，中断的产生大多带有特权级变换。通过中断门和陷阱门的中断就相当于用call指令调用一个调用门，涉及的特权级变换的规则完全一样。

(2) 中断或异常发生时的堆栈变化

中断或异常发生时，以及相应的处理程序结束时，堆栈都会发生变化：

• 没有特权级变换时，eflags, cs, eip 依次入栈，有出错码则最后入栈；

• 有特权级变换时，发生堆栈切换，ss, esp 被压入堆栈，然后是 eflags, cs, eip, error code ；

• 从中断或异常返回时必须使用指令 iretd ，和 ret 相似，不过 iretd 同时会改变 eflags 的值。注意：只有当 CPL = 0 时，eflags 的 IOPL 域才会改变，且只有当 CPL <= IOPL 时，IF 才会改变；

  此外，iretd 执行 Error Code 不会被自动从堆栈中弹出，所以执行它之前需要先将它从栈中清除。
  

(3) 中断门和陷阱门的区别

有中断门向量引起的中断会复位 IF ，可以避免其他中断干扰当前中断的处理，随后的 iretd 指令会从堆栈上恢复 IF 的原值。通过陷阱门产生的中断不会改变 IF 。

最后

以上就是兴奋老鼠为你收集整理的【操作系统】Oranges学习笔记(二) 第三章4 保护模式下的中断和异常3.4 保护模式下的中断和异常的全部内容，希望文章能够帮你解决【操作系统】Oranges学习笔记(二) 第三章4 保护模式下的中断和异常3.4 保护模式下的中断和异常所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。