38 操作系统-中断处理与特权级转移

参考

https://blog.51cto.com/13475106/category6.html及狄泰软件相关课程

 

中断处理与特权级转移

在上节中出现可能出现的问题-8259A在中断特殊完全嵌套方式下(执行中断服务程序期间，可响应本级中断，在时钟中断会出现问题)同一个引脚的新中断是否可以打断旧中断的处理？
可以从ICW4的设置中(从之前的介绍中得知ICW4的第四位为1时时完全嵌套的方式)，但是在时钟中断时没有进行响应本级中断。
问题展示

 

 

假设：时钟中断请求周期为5MS,对应的中断服务程序执行时间为10MS，那么，中断服务程序是否会被新的时钟中断请求打断？从ICW4的设置来说，这个新的时钟中断会被响应，但是在实际的运行中没有进行响应。

关于中断优先级

1.中断优先级由8259A管理-高优先级中断请求优先送往处理器
2.处理器决定是否响应中断请求-处理器没有中断优先级的概念
3.在默认情况下-中断服务程序执行时，屏蔽外部中断请求(IF==0),中断服务程序返回后，重新响应外部中断(IF==1)
验证--在对call EnableTimer处设置断对寄存器进行查看，然后对进入程序TimerHandlerFunc后进行断点设置，对IF寄存器进行查看

当代操作系统的设计-两种形态用户态与内核态

1.应用程序(DPL3)执行系统调用时会陷入内核状态(DPL0)-3特权级到0特权级
2.自定义软中断用于系统调用(int 0x80)(从用户态到内核态)
3.通过软中断陷入内核一最高特权级(DPL0)执行系统调用
4.中断服务程序运行与内核态(DPL0)

中断特权级转移过程(三个步骤)

1.处理器通过中断向量找到对应的中断描述符
2.特权级检查-软中断(目标代码DPL<=CPL)[低特权级到高特权级]&&(CPL<=中断描述符)；外部中断：CPL>=目标代码段DPL
3.加载目标代码段选择子到cs，加载偏移地址到ip

 

 

上图为用户态代码段的压栈实现过程-寄存器变化

中断服务程序返回

1.iret使得处理器从内核态返回用户态
2.返回时进行特权级检查-CPL<=目标代码DPL(高特权级>底特权级)，对相关段寄存器轻质清零(指向高特权级数据的段寄存器)

 

 

上图为中断结束时的栈恢复

eflags标志寄存器

 

 

eflags寄存器

1.IF-系统标志位，决定是否响应外部中断(IF==0,响应外部中断，IF==0,屏蔽外部中断)
2.IOPL-系统标志位，决定是否允许进行IO操作；CPL<=IOPL才能允许IO端口，当且仅当CPL==0时才能改变IOPL的值
3.设置IOPL的方法

 

 

在代码中进行设置并查看

 

 

 

 

从上图可知进行设置之后，IOPL设置为3(在之前中为0)

目标实验-使用软中断实现系统调用

1.定义32位核心代码段(中断函数，系统函数)
2.定义32位任务代码段和数据段(用户程序)
3.通过软中断转移到内核态调用系统函数-低到高
4.在任务代码段使用软中断实现函数功能

 

 

.该实验需要注意的是
1.将IOPL设置位3使得用户态和内核态均可访问IO端口
2.特权级转移时会发生栈的变化(定义TSS结构，定义不同栈段)
3.在用户态通过sti指令使得粗略去响应外部中断(必须用户态)

首先需要定义一个32位的内核代码段，需要将一些代码放置后面执行，实现屏幕打印与时钟中断函数，不同的函数有功能号对应其实现

代码如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535

%include "inc.asm"   org 0x9000   jmp ENTRY_SEGMENT   [section .gdt] ; GDT definition ;                                     段基址，           段界限，       段属性 GDT_ENTRY       :     Descriptor        0,                0,           0 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 STACK32U_DESC   :     Descriptor        0,         TopOfStack32U,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3 STACK32K_DESC   :     Descriptor        0,         TopOfStack32K,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0 TSS_DESC        :     Descriptor        0,            TSSLen - 1,      DA_386TSS + DA_DPL0 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   Code32Selector   equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 VideoSelector    equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 Data32Selector   equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 Stack32USelector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 Stack32KSelector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 TSSSelector      equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Kernel32Selector equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; end of [section .gdt]   [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   IdtPtr:           dw    IdtLen - 1           dd    0   ; end of [section .idt]   TopOfStack16    equ 0x7c00   [section .tss] [bits 32] TSS_SEGMENT:     dd    0     dd    TopOfStack32K       ; 0     dd    Stack32KSelector    ;     dd    0                   ; 1     dd    0                   ;     dd    0                   ; 2     dd    0                   ;     times 4 * 18 dd 0     dw    0     dw    $ - TSS_SEGMENT + 2     db    0xFF       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           ; initialize GDT for 32 bits code segment     mov esi, CODE32_SEGMENT     mov edi, CODE32_DESC           call InitDescItem           mov esi, DATA32_SEGMENT     mov edi, DATA32_DESC           call InitDescItem           mov esi, STACK32U_SEGMENT     mov edi, STACK32U_DESC           call InitDescItem           mov esi, STACK32K_SEGMENT     mov edi, STACK32K_DESC           call InitDescItem           mov esi, TSS_SEGMENT     mov edi, TSS_DESC           call InitDescItem           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     push Stack32USelector     push TopOfStack32U     push Code32Selector     push 0     retf     ; 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         [section .s32] [bits 32] CODE32_SEGMENT:       mov ax, VideoSelector     mov gs, ax           mov ax, Stack32USelector     mov ss, ax           mov eax, TopOfStack32U     mov esp, eax           mov ax, Data32Selector     mov ds, ax                 mov ebp, DTOS_OFFSET     mov dh, 12     mov dl, 33           call Printf           call InitDevInt           call EnableTimer           jmp $   ; ; InitDevInt:     push ax           mov ax, 0           int 0x80           sti           pop ax     ret       ; ds:ebp    --> string address ; dx        --> dh : row, dl : col  Printf:     push ax     push bx           mov ax, 1     mov bx, 0x0C           int 0x80           pop bx     pop ax     ret       ; ; EnableTimer:     push ax           mov ax, 2           int 0x80           pop ax     ret       Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT   [section .knl] [bits 32] KERNEL32_SEGMENT:         ; ; DefaultHandlerFunc:     iret       DefaultHandler    equ    DefaultHandlerFunc - $$       ; ; Int0x80HandlerFunc: ax0:     cmp ax, 0     jnz ax1     call InitDevIntFunc     iret ax1:     cmp ax, 1     jnz ax2     call PrintString     iret ax2:     cmp ax, 2     jnz ax3     call EnableTimerFunc     iret ax3:     iret       Int0x80Handler    equ    Int0x80HandlerFunc - $$   ; ; 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 - $$   ; ; Delay:     %rep 5     nop     %endrep     ret       ; ; 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 ; dx --> 8259A port WriteIMR:     out dx, al     call Delay     ret       ; dx --> 8259A ; return: ;     ax --> IMR register value ReadIMR:     in ax, dx     call Delay     ret   ; ; dx --> 8259A port WriteEOI:     push ax           mov al, 0x20     out dx, al           call Delay           pop ax           ret   ; ; 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       ; ; InitDevIntFunc:     push ax     push dx           call Init8259A           mov ax, 0xFF     mov dx, MASTER_IMR_PORT           call WriteIMR           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   [section .gsu] [bits 32] STACK32U_SEGMENT:     times 1024 * 4 db 0       Stack32USegLen equ $ - STACK32U_SEGMENT TopOfStack32U  equ Stack32USegLen - 1   [section .gsk] [bits 32] STACK32K_SEGMENT:     times 1024 * 4 db 0       Stack32KSegLen equ $ - STACK32K_SEGMENT TopOfStack32K  equ Stack32KSegLen - 1

程序运行结果

 

 

 

 

小结

1.处理器执行中断服务程序期间不再响应新中断(IF==0)
2.如果需要进行中断嵌套，使用sti设置IF标志位(IF==1)
3.IOPL决定是否允许进行IO操作CPL<=IOPL才能访问IO端口