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lidt
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
问题是我在屏幕上没有任何角色。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?有什么建议吗?
答案 0 :(得分:12)
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。此时您确实启用了中断。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。您可以使用 HLT 指令修改kmain
以执行无限循环。这样的事情应该有效:
while(1) __asm__("hlt\n\t");
在此代码中:
load_idt:
sti
mov edx, [esp + 4]
lidt [edx]
ret
更新中断表后使用 STI 通常更好一点,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。您的函数keyboard_handler
将返回ret
。要解决此问题,您可以创建一个调用 C keyboard_handler
函数的程序集包装器,然后执行IRETD。
在 NASM 程序集文件中,您可以像这样定义名为keyboard_handler_int
的全局函数:
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,您在启用该中断后设置了键盘处理程序。启用中断后以及将条目放入 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。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,会导致base
地址错误地放置在结构中。 IDT 指针需要一个16位值,表示 IDT 的大小,后面紧跟一个32位值,表示 IDT
有关结构对齐和填充的更多信息可以在Eric Raymond的blogs中找到。由于struct idt_entry
成员的放置方式,没有额外的填充字节。如果您要创建永远不需要填充的结构,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,为了清晰起见,我还要打包struct idt_entry
。
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。您的内核可能会不规律地执行操作,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,但我们不会保存和恢复它们。其次,在调用函数之前,需要清除方向标志(每32-bit ABI)(CLD)。在进入中断例程时,您不能假设方向标志被清除。 ABI说:
EFLAGS标志寄存器包含系统标志,例如方向 国旗和进旗。方向标志必须设置为 在进入之前和退出时''向前''(即零)方向 从一个功能。其他用户标志在中没有指定的角色 标准调用序列并未保留
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,则必须保存并恢复 EAX , ECX 和 EDX 因为他们不需要在 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,你也必须保存和恢复x87 FPU状态。
您没有提供完整的示例,因此我填写了一些空白(包括简单的键盘映射)并对键盘处理程序稍作更改。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 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。这允许位置在每个角色按下之间前进。
我的kprintd.h
文件为空,我将所有汇编程序原型放入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:
lgdt [gdtr] ; Load our own GDT, the GDTR of Grub may be invalid
jmp CODE32_SEL:.setcs ; Set CS to our 32-bit flat code selector
.setcs:
mov ax, DATA32_SEL ; Setup the segment registers with our flat data selector
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
mov esp, stack_space ; set stack pointer
call kmain
; If we get here just enter an infinite loop
endloop:
hlt ; halt the CPU
jmp endloop
; Macro to build a GDT descriptor entry
%define MAKE_GDT_DESC(base, limit, access, flags) \
(((base & 0x00FFFFFF) << 16) | \
((base & 0xFF000000) << 32) | \
(limit & 0x0000FFFF) | \
((limit & 0x00FF0000) << 32) | \
((access & 0xFF) << 40) | \
((flags & 0x0F) << 52))
section .data
align 4
gdt_start:
dq MAKE_GDT_DESC(0, 0, 0, 0); null descriptor
gdt32_code:
dq MAKE_GDT_DESC(0, 0x00ffffff, 10011010b, 11001111b)
; 32-bit code, 4kb gran, limit 0xffffffff bytes, base=0
gdt32_data:
dq MAKE_GDT_DESC(0, 0x00ffffff, 10010010b, 11001111b)
; 32-bit data, 4kb gran, limit 0xffffffff bytes, base=0
end_of_gdt:
gdtr:
dw end_of_gdt - gdt_start - 1
; limit (Size of GDT - 1)
dd gdt_start ; base of GDT
CODE32_SEL equ gdt32_code - gdt_start
DATA32_SEL equ gdt32_data - gdt_start
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)
{
/* This is a very basic keyboard initialization. The assumption is we have a
* PS/2 keyboard and it is already in a propr state. This may not be the case
* on real hardware. We simply enable the keyboard interupt */
/* Get current master PIC interrupt mask */
unsigned char curmask_master = read_port (0x21);
/* 0xFD is 11111101 - enables only IRQ1 (keyboard) on master pic
by clearing bit 1. bit is clear for enabled and bit is set for disabled */
write_port(0x21, curmask_master & 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)
{
signed char keycode;
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 on black characters */
vidptr[current_loc++] = 0x07;
}
/* Send End of Interrupt (EOI) to master PIC */
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 cross compiler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
。调试信息使用 QEMU 和 GDB 进行调试变得更加容易。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,请将layout src
替换为layout asm
。使用输入the quick brown fox jumps over the lazy dog 01234567890
QEMU 运行时显示: