x86内核中的键盘IRQ
我正在尝试编写一个非常简单的内核用于学习目的。 在阅读了大量有关x86架构中PIC和IRQ的文章后，我发现IRQ1是键盘处理程序。 我正在使用以下代码打印正在按下的键：
#include "port_io.h" #define IDT_SIZE 256 #define PIC_1_CTRL 0x20 #define PIC_2_CTRL 0xA0 #define PIC_1_DATA 0x21 #define PIC_2_DATA 0xA1 void keyboard_handler(); void load_idt(void*); struct idt_entry { unsigned short int offset_lowerbits; unsigned short int selector; unsigned char zero; unsigned char flags; unsigned short int offset_higherbits; }; struct idt_pointer { unsigned short limit; unsigned int base; }; struct idt_entry idt_table[IDT_SIZE]; struct idt_pointer idt_ptr; void load_idt_entry(char isr_number, unsigned long base, short int selector, char flags) { idt_table[isr_number].offset_lowerbits = base & 0xFFFF; idt_table[isr_number].offset_higherbits = (base >> 16) & 0xFFFF; idt_table[isr_number].selector = selector; idt_table[isr_number].flags = flags; idt_table[isr_number].zero = 0; } static void initialize_idt_pointer() { idt_ptr.limit = (sizeof(struct idt_entry) * IDT_SIZE) - 1; idt_ptr.base = (unsigned int)&idt_table; } static void initialize_pic() { /* ICW1 - begin initialization */ write_port(PIC_1_CTRL, 0x11); write_port(PIC_2_CTRL, 0x11); /* ICW2 - remap offset address of idt_table */ /* * In x86 protected mode, we have to remap the PICs beyond 0x20 because * Intel have designated the first 32 interrupts as "reserved" for cpu exceptions */ write_port(PIC_1_DATA, 0x20); write_port(PIC_2_DATA, 0x28); /* ICW3 - setup cascading */ write_port(PIC_1_DATA, 0x00); write_port(PIC_2_DATA, 0x00); /* ICW4 - environment info */ write_port(PIC_1_DATA, 0x01); write_port(PIC_2_DATA, 0x01); /* Initialization finished */ /* mask interrupts */ write_port(0x21 , 0xff); write_port(0xA1 , 0xff); } void idt_init() { initialize_pic(); initialize_idt_pointer(); load_idt(&idt_ptr); }
load_idt只使用load_idt x86指令。 之后我正在加载键盘处理程序：
void kmain(void) { //Using grub bootloader.. idt_init(); kb_init(); load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler, 0x08, 0x8e); }
这是实施：
#include "kprintf.h" #include "port_io.h" #include "keyboard_map.h" void kb_init(void) { /* 0xFD is 11111101 - enables only IRQ1 (keyboard)*/ write_port(0x21 , 0xFD); } void keyboard_handler(void) { unsigned char status; char keycode; char *vidptr = (char*)0xb8000; //video mem begins here. /* Acknownlegment */ int current_loc = 0; status = read_port(0x64); /* Lowest bit of status will be set if buffer is not empty */ if (status & 0x01) { keycode = read_port(0x60); if(keycode < 0) return; vidptr[current_loc++] = keyboard_map[keycode]; vidptr[current_loc++] = 0x07; } write_port(0x20, 0x20); }
这是我正在使用的额外代码：
section .text global load_idt global keyboard_handler extern kprintf extern keyboard_handler_main load_idt: sti mov edx, [esp + 4] lidt [edx] ret global read_port global write_port ; arg: int, port number. read_port: mov edx, [esp + 4] in al, dx ret ; arg: int, (dx)port number ; int, (al)value to write write_port: mov edx, [esp + 4] mov al, [esp + 4 + 4] out dx, al ret
这是我的切入点：
bits 32 section .text ;grub bootloader header align 4 dd 0x1BADB002 ;magic dd 0x00 ;flags dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero global start extern kmain start: ; cli ;block interrupts mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain hlt ;halt the CPU section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:
我正在使用QEMU来运行内核：
qemu-system-i386 -kernel kernel
问题是我没有在屏幕上显示任何字符。 相反，我仍然得到相同的输出：
SeaBIOS (version Ubuntu-1.8.2-1-ubuntu1) Booting from ROM...
我该如何解决这个问题？ 有什么建议？
您的代码存在许多问题。 主要内容将在下面单独讨论。
HLT指令将暂停当前CPU等待下一个中断。 您确实已经启用了中断。 在第一次中断（击键）之后，将执行HLT之后的代码。 它将开始执行内存中的任何随机数据。 您可以修改您的kmain以使用HLT指令执行无限循环。 像这样的东西应该工作：
while(1) __asm__("hlt\n\t");
在这段代码中：
load_idt: sti mov edx, [esp + 4] lidt [edx] ret
更新中断表后使用STI通常更好，而不是在它之前。 这会更好：
load_idt: mov edx, [esp + 4] lidt [edx] sti ret
您的中断处理程序需要执行iretd才能从中断中正确返回。 你的函数keyboard_handler将返回ret 。 要解决此问题，您可以创建一个调用C keyboard_handler函数然后执行IRETD的程序集包装器。
在NASM程序集文件中，您可以定义一个名为keyboard_handler_int的全局函数，如下所示：
extern keyboard_handler global keyboard_handler_int keyboard_handler_int: call keyboard_handler iretd
设置IDT条目的代码如下所示：
load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e);
您的kb_init函数最终会（通过掩码）启用键盘中断。 不幸的是，在启用该中断后设置了键盘处理程序。 在启用中断之后和将条目放入IDT之前，可以按下键击。 快速解决方法是在调用kb_init之前设置键盘处理程序，例如：
void kmain(void) { //Using grub bootloader.. idt_init(); load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e); kb_init(); while(1) __asm__("hlt\n\t"); }
可能导致内核三重故障（并有效地重新启动虚拟机）的最严重问题是您定义idt_pointer结构的方式。 你用过：
struct idt_pointer { unsigned short limit; unsigned int base; };
问题是默认对齐规则将在limit之后和base之前放置2个字节的填充，以便unsigned int将在结构内的4字节偏移处对齐。 若要更改此行为并打包数据而不填充，可以在结构上使用__attribute__((packed)) 。 定义如下：
struct idt_pointer { unsigned short limit; unsigned int base; } __attribute__((packed));
这样做意味着在limit和base之间没有额外的字节用于对齐目的。 如果未能有效地处理对齐问题，则会产生错误放置在结构中的base址。 IDT指针需要一个16位值，表示IDT的大小，紧接着是一个32位值，表示IDT的基址。
有关结构对齐和填充的更多信息可以在Eric Raymond的博客中找到 。 由于struct idt_entry成员的放置方式没有额外的填充字节。 如果你要创建你永远不想要填充的结构，我建议使用__attribute__((packed)); 。 当您使用系统定义的结构映射C数据结构时，通常就是这种情况。 考虑到这一点，为了清楚起见，我还要打包struct idt_entry 。
其他考虑
在中断处理程序中，虽然我建议使用IRETD ，但还有另一个问题。 随着内核的增长和添加更多中断，您将发现另一个问题。 您的内核可能会无法正常运行，寄存器可能会意外地更改值。 问题是充当中断处理程序的C函数会破坏某些寄存器的内容，但我们不保存和恢复它们。 其次，在调用函数之前，需要清除方向标志（根据32位ABI ）（ CLD ）。 进入中断例程时，不能假定方向标志被清除。 ABI说：
EFLAGS标志寄存器包含系统标志，例如方向标志和进位标志。 方向标志必须在进入之前和退出函数时设置为“向前”（即零）方向。 其他用户标志在标准调用序列中没有指定的角色，因此不会保留
您可以单独推送所有易失性寄存器，但为了简洁起见，您可以使用PUSHAD和POPAD指令。 如果它看起来像中断处理程序会更好：
keyboard_handler_int: pushad ; Push all general purpose registers cld ; Clear direction flag (forward movement) call keyboard_handler popad ; Restore all general purpose registers iretd ; IRET will restore required parts of EFLAGS ; including the direction flag
如果要手动保存和恢复所有易失性寄存器，则必须保存和恢复EAX ， ECX和EDX，因为它们不需要在C函数调用中保留。 在中断处理程序中使用x87 FPU指令通常不是一个好主意（主要是为了提高性能），但如果你这样做，你还必须保存和恢复x87 FPU状态。
示例代码
你没有提供一个完整的例子，所以我填补了一些空白（包括一个简单的键盘映射）和对键盘处理程序的轻微更改。 修改后的键盘处理程序仅显示按键事件，并跳过没有映射的字符。 在所有情况下，代码都会下降到处理程序的末尾，以便向PIC发送EOI （中断结束）。 当前游标位置是一个静态整数，它将在中断调用中保留其值。 这允许位置在每个字符按下之间前进。
我的kprintd.h文件是空的，我将所有汇编程序原型放入你的port_io.h 。 原型应该被正确划分为多个标题。 我这样做只是为了减少文件数量。 我的文件lowlevel.asm定义了所有低级程序集例程。 最终代码如下：
kernel.asm ：
bits 32 section .text ;grub bootloader header align 4 dd 0x1BADB002 ;magic dd 0x00 ;flags dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero global start extern kmain start: mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain ; We shouldn't get to here, but just in case do an infinite loop endloop: hlt ;halt the CPU jmp endloop section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:
lowlevel.asm ：
section .text extern keyboard_handler global read_port global write_port global load_idt global keyboard_handler_int keyboard_handler_int: pushad cld call keyboard_handler popad iretd load_idt: mov edx, [esp + 4] lidt [edx] sti ret ; arg: int, port number. read_port: mov edx, [esp + 4] in al, dx ret ; arg: int, (dx)port number ; int, (al)value to write write_port: mov edx, [esp + 4] mov al, [esp + 4 + 4] out dx, al ret
port_io.h ：
extern unsigned char read_port (int port); extern void write_port (int port, unsigned char val); extern void kb_init(void);
kprintf.h ：
/* Empty file */
keyboard_map.h ：
unsigned char keyboard_map[128] = { 0, 27, '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', /* 9 */ '9', '0', '-', '=', '\b', /* Backspace */ '\t', /* Tab */ 'q', 'w', 'e', 'r', /* 19 */ 't', 'y', 'u', 'i', 'o', 'p', '[', ']', '\n', /* Enter key */ 0, /* 29 - Control */ 'a', 's', 'd', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'l', ';', /* 39 */ '\'', '`', 0, /* Left shift */ '\\', 'z', 'x', 'c', 'v', 'b', 'n', /* 49 */ 'm', ',', '.', '/', 0, /* Right shift */ '*', 0, /* Alt */ ' ', /* Space bar */ 0, /* Caps lock */ 0, /* 59 - F1 key ... > */ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, /* < ... F10 */ 0, /* 69 - Num lock*/ 0, /* Scroll Lock */ 0, /* Home key */ 0, /* Up Arrow */ 0, /* Page Up */ '-', 0, /* Left Arrow */ 0, 0, /* Right Arrow */ '+', 0, /* 79 - End key*/ 0, /* Down Arrow */ 0, /* Page Down */ 0, /* Insert Key */ 0, /* Delete Key */ 0, 0, 0, 0, /* F11 Key */ 0, /* F12 Key */ 0, /* All other keys are undefined */ };
keyb.c ：
#include "kprintf.h" #include "port_io.h" #include "keyboard_map.h" void kb_init(void) { /* 0xFD is 11111101 - enables only IRQ1 (keyboard)*/ write_port(0x21 , 0xFD); } /* Maintain a global location for the current video memory to write to */ static int current_loc = 0; /* Video memory starts at 0xb8000. Make it a constant pointer to characters as this can improve compiler optimization since it is a hint that the value of the pointer won't change */ static char *const vidptr = (char*)0xb8000; void keyboard_handler(void) { unsigned char status; signed char keycode; /* Acknowledgment */ status = read_port(0x64); /* Lowest bit of status will be set if buffer is not empty */ if (status & 0x01) { keycode = read_port(0x60); /* Only print characters on keydown event that have * a non-zero mapping */ if(keycode >= 0 && keyboard_map[keycode]) { vidptr[current_loc++] = keyboard_map[keycode]; /* Attribute 0x07 is white character on black background */ vidptr[current_loc++] = 0x07; } } /* enable interrupts again */ write_port(0x20, 0x20); }
main.c ：
#include "port_io.h" #define IDT_SIZE 256 #define PIC_1_CTRL 0x20 #define PIC_2_CTRL 0xA0 #define PIC_1_DATA 0x21 #define PIC_2_DATA 0xA1 void keyboard_handler_int(); void load_idt(void*); struct idt_entry { unsigned short int offset_lowerbits; unsigned short int selector; unsigned char zero; unsigned char flags; unsigned short int offset_higherbits; } __attribute__((packed)); struct idt_pointer { unsigned short limit; unsigned int base; } __attribute__((packed)); struct idt_entry idt_table[IDT_SIZE]; struct idt_pointer idt_ptr; void load_idt_entry(int isr_number, unsigned long base, short int selector, unsigned char flags) { idt_table[isr_number].offset_lowerbits = base & 0xFFFF; idt_table[isr_number].offset_higherbits = (base >> 16) & 0xFFFF; idt_table[isr_number].selector = selector; idt_table[isr_number].flags = flags; idt_table[isr_number].zero = 0; } static void initialize_idt_pointer() { idt_ptr.limit = (sizeof(struct idt_entry) * IDT_SIZE) - 1; idt_ptr.base = (unsigned int)&idt_table; } static void initialize_pic() { /* ICW1 - begin initialization */ write_port(PIC_1_CTRL, 0x11); write_port(PIC_2_CTRL, 0x11); /* ICW2 - remap offset address of idt_table */ /* * In x86 protected mode, we have to remap the PICs beyond 0x20 because * Intel have designated the first 32 interrupts as "reserved" for cpu exceptions */ write_port(PIC_1_DATA, 0x20); write_port(PIC_2_DATA, 0x28); /* ICW3 - setup cascading */ write_port(PIC_1_DATA, 0x00); write_port(PIC_2_DATA, 0x00); /* ICW4 - environment info */ write_port(PIC_1_DATA, 0x01); write_port(PIC_2_DATA, 0x01); /* Initialization finished */ /* mask interrupts */ write_port(0x21 , 0xff); write_port(0xA1 , 0xff); } void idt_init() { initialize_pic(); initialize_idt_pointer(); load_idt(&idt_ptr); } void kmain(void) { //Using grub bootloader.. idt_init(); load_idt_entry(0x21, (unsigned long) keyboard_handler_int, 0x08, 0x8e); kb_init(); while(1) __asm__("hlt\n\t"); }
为了链接这个内核，我使用了一个带有这个定义的文件link.ld ：
/* * link.ld */ OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(start) SECTIONS { . = 0x100000; .text : { *(.text) } .rodata : { *(.rodata) } .data : { *(.data) } .bss : { *(.bss) } }
我使用GCC i686 交叉编译器使用以下命令编译和链接此代码：
nasm -f elf32 -g -F dwarf kernel.asm -o kernel.o nasm -f elf32 -g -F dwarf lowlevel.asm -o lowlevel.o i686-elf-gcc -g -m32 -c main.c -o main.o -ffreestanding -O3 -Wall -Wextra -pedantic i686-elf-gcc -g -m32 -c keyb.c -o keyb.o -ffreestanding -O3 -Wall -Wextra -pedantic i686-elf-gcc -g -m32 -Wl,--build-id=none -T link.ld -o kernel.elf -ffreestanding -nostdlib lowlevel.o main.o keyb.o kernel.o -lgcc
结果是一个名为kernel.elf的内核，带有调试信息。 我更喜欢-O3的优化级别而不是默认的-O0 。 调试信息使QEMU和GDB的调试更容易。 可以使用以下命令调试内核：
qemu-system-i386 -kernel kernel.elf -S -s & gdb kernel.elf \ -ex 'target remote localhost:1234' \ -ex 'layout src' \ -ex 'layout regs' \ -ex 'break kmain' \ -ex 'continue'
如果您希望在汇编代码级别进行调试，请使用layout asm替换layout src 。 当输入运行时， the quick brown fox jumps over the lazy dog 01234567890 QEMU显示：
