实验日期	实验项目
2020.11.5	第6天分割编译和中断处理

文章目录

一、实验主要内容
二、遇到的问题及解决方法
- 1、描述问题1
- 2、描述问题2
三、程序设计创新点
- 1、描述创新点1，关键代码及结果截图
四、实验心得体会

一、实验主要内容

1、内容1 分割编译，整理Makefile, 整理头文件

(1).内容概要

实验内容：分割源文件，便于以后的设计和修改；整理Makefile文件；整理头文件。

源文件分割的利弊

优点：
	a.按照处理内容进行分类，如果分得好的话，将来进行修改时，容易找到地方。
	b.如果Makefile写得好，只需要编译修改过的文件，就可以提高make的速度。
	c.单个源文件都不长。多个小文件比一个大文件好处理。	
缺点：
	a.增加了源文件的数量。
	b.分类分得不好的话，不容易找到地方进行修改。

Makefile文件时用到了通配符，在这个规则中，依赖关系中的名字用%来代替，其通配符的使用和linux中相同，*代表任意字符，？代表任意一个字符，[…]指定某个字符，如果用通配符的写法这样文件变成了一个变量，前面要加上$。

C语言中“.h”文件可以用来存放对函数的声明，其他程序文件需要用到.h文件里面的声明时，可以直接加上头文件即可。需要注意的是，写头文件时双引号与尖括号的区别：双引号(“”)表示该头文件与源文件位于同一个文件夹里，而尖括号(<>)则表示该头文件位于编译器所提供的文件夹里。

(2).关键代码分析
代码基本上没有变化。分割后用dsctbl.c用存放GDT，IDT的定义和初始化，graphic.c用来存放绘制界面，鼠标等的函数，bootpack.c存放主函数部分，bootpack.h用来存放函数声明和宏定义。

%.gas : %.c Makefile
	$(CC1) -o $*.gas $*.c
这一句是将所有的.c文件编译为.gas文件。
%.nas : %.gas Makefile
	$(GAS2NASK) $*.gas $*.nas
这一句是将所有的.gas文件编译为.nas文件。
%.obj : %.nas Makefile
	$(NASK) $*.nas $*.obj $*.lst
这一句是将所有的.nas文件编译为.obj文件。

2、内容2 段的相关设置

(1).内容概要

实验内容：将段上限和地址值赋值给GDTR；初始化GDT。
实验重点：理解load_idar函数的设置；掌握将段的信息（8个字节）写入内存的方法，即set_segmdesc函数的代码分析。

GDTR是一个48位的段地址管理寄存器，其中高32位表示基地址，低16位表示界限。在汇编中，不能直接使用MOV指令去赋值。这里需要用LGDT指令：指定一个内存地址，从指定地址中读取6个字节，然后赋值给GDTR。

段的信息主要包括三个部分，即段的大小，段的起始地址，段的管理属性，总结如下：


段的大小	使用20位，在段属性中设置了标志位G_bit,当其有效时，段大小的单位为4kb,这样就可以表示4GB的大小了。存储时，分为low（2字节）和high（1字节）两个部分。
段的起始地址	使用32位，存储时，分为low(2个字节),mid(1个字节)和high(1个字节)三个部分。
段的管理属性	使用12位，其中高4位存放在段大小high中，作用是扩展访问权，由GD00构成，D用来确定段的模式，1表示32位模式，0表示16位模式。低8位存放在ar中，其中0xfa表示应用程序用，可执行的段，可读不可写；0x9a表示系统专用，可执行的段，可读不可写

CPU是处于系统模式还是应用程序，取决于执行中的应用程序是位于访问权为0x9a的段还是0xfa的段。

(2).关键代码分析

_load_gdtr:		; void load_gdtr(int limit, int addr);
		MOV		AX,[ESP+4]		; limit
		MOV		[ESP+6],AX
		LGDT	[ESP+6]
		RET

这部分代码是用来初始化GDTR寄存器的。汇编第1句将段上限存储在寄存器AX中，汇编第2句将AX再次放入地址[ESP+6]-[ESP+8]中，最后从[ESP+6]中取出6个字节的内容(包括段上限和基址)给GDTR。同理load_idtr函数对寄存器IDTR初始化。

void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar)
{
    
    
	if (limit > 0xfffff) {
    
    //如果limit上限超过20位表示的范围，则使用G_bit位
		ar |= 0x8000; // G_bit = 1 
		limit /= 0x1000;//换算成以4kb为单位
	}
	sd->limit_low    = limit & 0xffff;//取段上限的低2个字节存入limit_low
	sd->base_low     = base & 0xffff; //取基址的低2个字节存入base_low
	sd->base_mid     = (base >> 16) & 0xff;//先将基址已经存放好的低2个字节移走，再取1个字节存入base_mid
	sd->access_right = ar & 0xff;//取ar的一个字节存入access_right
	sd->limit_high   = ((limit >> 16) & 0x0f) | ((ar >> 8) & 0xf0);//limit_high有8位，其中高4位存储ar的段属性高4位，对应((ar >> 8) & 0xf0)
	//低4位存储limit段大小的高4位，对应((limit >> 16) & 0x0f)
	sd->base_high    = (base >> 24) & 0xff;//先将基址已经存放的3个字节移走，将最后一个字节存入base_high
	return;
}

这部分代码是对GDT结构体的相关信息的设置，包括段大小，段基址和段的管理属性。段的结构体将地址分为3个部分，用base_low,base_mid,base_high表示；段大小分为2个部分，用limit_low,limit_high表示，段的管理属性用access_right表示。

3、内容3 初始化PIC

(1).内容概要

实验内容：知道主从PIC的连接方式；学会设定PIC。
实验重点：理解PIC的设置原理以及对应的硬件结构。

PIC是可编程中断控制器。其可以将8个中断信号集合成一个中断信号，一旦有一个中断信号进来，唯一的输出管脚信号就会变为ON，并通知CPU。我们涉及到的PIC有两个，主PIC和CPU直接相连，负责处理第0-7号中断信号，从PIC负责处理第8-15号信号。两者的连接结构如下：
在这里插入图片描述
PIC的寄存器都是8位寄存器，其中IMR称为中断屏蔽寄存器，对应8路IRQ信号，当该位为1时，说明对应的IRQ信号被屏蔽，PIC就忽略该路信号。ICW为初始化控制数据的寄存器，ICW一共有4个，ICW1，ICW4与PIC主板配线方式，中断信号的电气特性等有关，ICW3是用有关主从连接的设定，ICW2是决定IRQ哪一号中断通知CPU。

当应用程序对操作系统破坏时，CPU内部会自动产生中断信号0x00~0x1f,以此来保护系统。所以IPQ的中断号码只能从0x20开始，到0x2f。

(2).关键代码分析

void init_pic(void)//PIC的初始化程序
{
    
    
	io_out8(PIC0_IMR,  0xff  );//禁止所有中断
	io_out8(PIC1_IMR,  0xff  ); //禁止所有中断
	//主PIC的相关设定
	io_out8(PIC0_ICW1, 0x11  ); //边沿触发模式
	io_out8(PIC0_ICW2, 0x20  ); //IRQ0-7由INT20-27接收
	io_out8(PIC0_ICW3, 1 << 2); //PIC1由IRQ2连接，对应的ICW3为0000 0100，所以是1<<2
	io_out8(PIC0_ICW4, 0x01  ); //无缓冲区模式
	//从PIC的相关设定
	io_out8(PIC1_ICW1, 0x11  ); //边沿触发模式
	io_out8(PIC1_ICW2, 0x28  ); IRQ8-15由INT28-2f接收
	io_out8(PIC1_ICW3, 2     ); PIC1由IRQ2连接，2为标识号，表示IRQ2
	io_out8(PIC1_ICW4, 0x01  ); 无缓冲区模式
	io_out8(PIC0_IMR,  0xfb  );//11111011 PIC1以外全部禁止
	io_out8(PIC1_IMR,  0xff  );//11111111 禁止所有中断
	return;
}

这部分代码是PIC的初始化程序。对PIC中的众多寄存器进行初始化，使用端口号码对其区分。PIC和CPU的通信是通过函数in_out8实现，CPU将要设置的值使用OUT指令传给相应的端口。

4、内容4 中断处理程序的制作

(1).内容概要

实验内容：编写鼠标和键盘的中断处理程序；了解几种常见的缓冲区的信息进入和取出；实现按下键盘的中断设定。
实验重点：知道中断的整个处理过程，例如敲击键盘后中断的处理过程。

键盘中断的处理过程：按下键盘上任意键后，计算机捕获到键盘被敲下的动作，PIC0收到一个中断信号，并将唯一的输出管脚信号变为ON。PIC将中断信号告知CPU，CPU暂时停止正在处理的任务，命令PIC发送两个字节的数据（0xcd和中断号）给自己，CPU再根据IDT的设定，转而执行中断程序（这里的中断程序是实现将一行字打印到屏幕上的功能）。中断程序执行完后，调用之前设定好的函数，返回处理中的任务。

缓冲区：用于暂时存储，暂时记忆的存储区域。常见的缓冲区种类有：先进先出（FIFO），先进后出（FILO）。其中栈可以用来实现FILO型的缓冲区，PUSH将数据压入栈，POP将数据从栈顶取出。

(2).关键代码分析

io_sti()，这个函数表示中断许可标志变为1，允许CPU接受来自外部设备的中断。

void inthandler21(int *esp)//键盘中断处理程序
{
    
    
	struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;//定义一个结构体变量
	boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_000000, 0, 0, 32 * 8 - 1, 15);//绘制背景
	putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "INT 21 (IRQ-1) : PS/2 keyboard");//打印字符
	for (;;) {
    
    
		io_hlt();
	}
}

这部分代码是键盘中断处理程序，当产生键盘中断后，会执行中断处理程序，也就是以上代码的内容。代码第1句是定义结构体变量，第2句是绘制一个左上角坐标为(0,0)，右下角坐标为(328-1,15)，颜色为黑色的矩形，328-1表示的是容纳32个字符，每个字符的宽是用8位表示的。鼠标中断处理程序和键盘中断处理程序类似。

set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);
set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);

这两句代码表示对中断号为0x21,0x2c的IDT的设定。第1个参数表示注册的中断号，第2个参数表示调用的函数地址，第3个参数表示中断处理函数的段，*8是表示将其左移3位（低3位有其他信息，必须不能被覆盖），最后一个参数表示IDT的属性，设定位0x008e，表示这是用于中断处理的有效设定。

_asm_inthandler21:
		PUSH	ES
		PUSH	DS
		PUSHAD
		MOV		EAX,ESP
		PUSH	EAX
		MOV		AX,SS
		MOV		DS,AX
		MOV		ES,AX
		CALL	_inthandler21
		POP		EAX
		POPAD
		POP		DS
		POP		ES
		IRETD  //中断返回

这部分代码的作用是在执行中断处理程序之前保存寄存器的值，在执行后恢复寄存器的值，以便可以正常返回到CPU原来被打断处理的任务。
代码实现效果：按下键盘后，显示一行字。
在这里插入图片描述

二、遇到的问题及解决方法

1、描述问题1

问题描述

书上P114页中段的地址为什么需要分为3段？

解决方法

主要是为了与80286那个时候的程序兼容。做了这样的处理，80286用的操作系统也可以直接在386以后的CPU上运行了。查阅资料知，80286的地址线是24位，而386分段后low和mid刚好3个字节，有24位，可以适用于80286。

2、描述问题2

问题描述

第5天中涉及到了GDT和IDT的结构体，在第6天解释了GDT结构体的相关组成，并未对IDT的结构体进行具体解释。这里对其进行解释说明。

解决方法

offset表示调用中断函数的地址，selector表示中断程序所在的段，access_right表示IDT的设置属性。其中将地址分为两段，分别为offset_low和offset_high, ar分为两段，分别为dw_count和access_right。

三、程序设计创新点

1、描述创新点1，关键代码及结果截图

创新点1

本次实验的重点内容是中断前的准备工作以及实现键盘中断。那是否可以用中断处理程序去实现其他的功能呢。比如按下键盘上按键，将其显示出来，或者显示汉字。难点在于如何去区分不同按键按下。这里使用函数io_in8来实现，将敲下键盘的记录值使用汇编存入EAX中，作为io_in8函数的返回值。根据返回值的不同来确定按下哪个按键。

关键代码

#define PORT_KEYDAT		0x0060   //0x0060表示键盘设备
void inthandler21(int *esp)
{
    
    
	struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;
	unsigned char data;
	extern char hankaku[4128];
	data = io_in8(PORT_KEYDAT);//从端口输出一个字节给EAX
	if(data==0x1e) 
		putfont8(binfo->vram, binfo->scrnx, 0,0, COL8_FFFFFF, hankaku+'A'*16);
	else if(data==0x30)
		putfont8(binfo->vram, binfo->scrnx, 0,0, COL8_FFFFFF, hankaku+'B'*16);
	else if(data==0x23)
		putfont8(binfo->vram, binfo->scrnx, 0,0, COL8_FFFFFF, hankaku+0x100*16);
	else if(data==0x13)
		putfont8(binfo->vram, binfo->scrnx, 0,0, COL8_FFFFFF, hankaku+0x101*16);
	else 
		putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "ERROR");
	for (;;) {
    
    
		io_hlt();
	}
}

这部分代码通过io_in8函数来得到按下按键后值，通过值，实现不同的操作。这里A对应输出字符A，B对应输出字符B，H对应输出汉字黄，R对应输出汉字R，其他键对应输出字符串“ERROR”。

结果截图

按下键盘上A，R，B，H，结果如下：
在这里插入图片描述
按下键盘上除A,B，H，R的其他键，结果如下：

四、实验心得体会

本次实验是自制操作系统的第6天，今天的内容主要是对第5天内容的进一步说明，对段结构体详细解释，中断前的准备工作——PIC初始化，实现一个简单的中断处理程序，有一定的功能。实验创新使用中断对之前学习的打印字符，字符串的内容进行了回顾，不足之处就是每次只能按下键盘上的一个键执行相应的操作，相信之后的学习过程可以去解决这个问题，以此实现按下不同键，有不同的功能（显示字符或者绘制图案），这样就似乎和电脑上的快捷键有点像了。
在看书的时候，也遇到了很多之前学过的知识点（有的已经忘记了），这个时候需要对前面的知识点进行回顾，以便更好地理解新的知识点。对于内容繁多的实验，最好是每看一点，做上相应的记录（大致的思路以及疑问），一是方便以后的复习，二是对前后内容的联系也有一定的帮助。

30天自制操作系统——第6天实验总结

文章目录

一、实验主要内容

1、内容1 分割编译，整理Makefile, 整理头文件

2、内容2 段的相关设置

3、内容3 初始化PIC

4、内容4 中断处理程序的制作

二、遇到的问题及解决方法

1、描述问题1

2、描述问题2

三、程序设计创新点

1、描述创新点1，关键代码及结果截图

四、实验心得体会

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30天自制操作系统——第6天实验总结

文章目录

一、实验主要内容

1、 内容1 分割编译，整理Makefile, 整理头文件

2、 内容2 段的相关设置

3、 内容3 初始化PIC

4、 内容4 中断处理程序的制作

二、遇到的问题及解决方法

1、 描述问题1

2、 描述问题2

三、程序设计创新点

1、 描述创新点1，关键代码及结果截图

四、实验心得体会

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1、内容1 分割编译，整理Makefile, 整理头文件

2、内容2 段的相关设置

3、内容3 初始化PIC

4、内容4 中断处理程序的制作

1、描述问题1

2、描述问题2

1、描述创新点1，关键代码及结果截图