> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://oscourse-tsinghua.gitbook.io/ucore-analysis/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://oscourse-tsinghua.gitbook.io/ucore-analysis/labs/lab1/practice6.md). # 练习6 ## 练习6: 完善中断初始化和处理 [练习6文档](https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_2_1_1_ex6.html) * 中断描述符表（也可简称为保护模式下的中断向量表）中一个表项占多少字节？其中哪几位代表中断处理代码的入口？ * 请编程完善kern/trap/trap.c中对中断向量表进行初始化的函数idt\_init。在idt\_init函数中，依次对所有中断入口进行初始化。使用mmu.h中的SETGATE宏，填充idt数组内容。每个中断的入口由tools/vectors.c生成，使用trap.c中声明的vectors数组即可。 * 请编程完善trap.c中的中断处理函数trap，在对时钟中断进行处理的部分填写trap函数中处理时钟中断的部分，使操作系统每遇到100次时钟中断后，调用print\_ticks子程序，向屏幕上打印一行文字”100 ticks”。 ### 相关文件 * [trap.c](/ucore-analysis/ucore/kern/trap/trap_c_lab1.md) * [mmu.h](/ucore-analysis/ucore/kern/mm/mmu_h.md) ## 中断描述符表中一个表项占多少字节？其中哪几位代表中断处理代码的入口？ ### 背景知识 1. 什么是中断描述符表 中断描述符表（Interrupt Descriptor Table，IDT）将每个异常或中断向量分别与它们的处理过程联系起来。与GDT和LDT表类似，IDT也是由8字节长描述符组成的一个数组。 ### 问题分析 1. 中断描述符表中一个表项占多少字节 参考代码 ```c // File: trap.c // Line: 28 static struct gatedesc idt[256] = {{0}}; ``` 由代码可知，中断描述符表`idt`的类型为`struct gatedesc`，其定义为 ```c // File: mmu.h // Line: 49-60 /* Gate descriptors for interrupts and traps */ struct gatedesc { unsigned gd_off_15_0 : 16; // low 16 bits of offset in segment unsigned gd_ss : 16; // segment selector unsigned gd_args : 5; // # args, 0 for interrupt/trap gates unsigned gd_rsv1 : 3; // reserved(should be zero I guess) unsigned gd_type : 4; // type(STS_{TG,IG32,TG32}) unsigned gd_s : 1; // must be 0 (system) unsigned gd_dpl : 2; // descriptor(meaning new) privilege level unsigned gd_p : 1; // Present unsigned gd_off_31_16 : 16; // high bits of offset in segment }; ``` 所占位数为: `16 + 16 + 5 + 3 + 4 + 1 + 2 + 1 + 16 = 64 bit` 所占字节数为: `64 / 8 = 8 byte` 2. 中断描述符表中哪几位代表中断处理代码的入口 由`struct gatedesc`代码注释可知，第1-16位与48-64位构成段偏移，第17-32位为段选择子，两者联合可计算出入口地址 ### 参考文献 * [中断描述符表](https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%AD%E6%96%AD%E6%8F%8F%E8%BF%B0%E7%AC%A6%E8%A1%A8/1907776) ## 编程完善kern/trap/trap.c中对中断向量表进行初始化的函数idt\_init ### 背景知识 1. 什么是中断向量表？ 在x86架构上，中断向量表（Interrupt Vector Table, IVT）是一个表，用于指定在实模式下使用的所有256个中断处理程序的地址。 IVT通常位于0000:0000H处，大小为400H字节（每个中断4字节）。尽管可以在较新的CPU上使用LIDT指令更改默认地址，但是通常不这样做，因为它不方便且与其他实现和/或较旧的软件（例如MS-DOS程序）不兼容。但是，请注意，代码必须保留在RAM的第一个MiB中。 2. 什么是IDT？ 中断描述符表（Interrupt Description Table, IDT）是特定于IA-32体系结构。它是实模式中断向量表（IVT）的保护模式副本，它告诉中断服务例程（Interrupt Service Routines, ISR）所在的位置（每个中断向量一个）。它的结构类似于全局描述符表。 IDT条目称为门。它可以包含中断门，任务门和陷阱门。 在实施IDT之前，请确保您具有有效的GDT。 ### 问题分析 1. 如何对中断向量表进行初始化？ 我们先看该实验的说明： ```c // File: trap.c // Line: 37-48 /* LAB1 YOUR CODE : STEP 2 */ /* (1) Where are the entry addrs of each Interrupt Service Routine (ISR)? * All ISR's entry addrs are stored in __vectors. where is uintptr_t __vectors[] ? * __vectors[] is in kern/trap/vector.S which is produced by tools/vector.c * (try "make" command in lab1, then you will find vector.S in kern/trap DIR) * You can use "extern uintptr_t __vectors[];" to define this extern variable which will be used later. * (2) Now you should setup the entries of ISR in Interrupt Description Table (IDT). * Can you see idt[256] in this file? Yes, it's IDT! you can use SETGATE macro to setup each item of IDT * (3) After setup the contents of IDT, you will let CPU know where is the IDT by using 'lidt' instruction. * You don't know the meaning of this instruction? just google it! and check the libs/x86.h to know more. * Notice: the argument of lidt is idt_pd. try to find it! */ ``` 由该说明我们可以看出，需要做的第一步是将`vector.S`作为中断向量引入代码内，说明中已经给出提示，使用`extern uintptr_t __vectors[];`即可。 第二步则是对IDT进行初始化，即对变量`idt`进行设置，这里提示我们使用宏`SETGATE`来设置IDT的每一项。 我们先来看`SETGATE`及其说明： ```c // File: mmu.h // Line: 62-81 /* * * Set up a normal interrupt/trap gate descriptor * - istrap: 1 for a trap (= exception) gate, 0 for an interrupt gate * - sel: Code segment selector for interrupt/trap handler * - off: Offset in code segment for interrupt/trap handler * - dpl: Descriptor Privilege Level - the privilege level required * for software to invoke this interrupt/trap gate explicitly * using an int instruction. * */ #define SETGATE(gate, istrap, sel, off, dpl) { \ (gate).gd_off_15_0 = (uint32_t)(off) & 0xffff; \ (gate).gd_ss = (sel); \ (gate).gd_args = 0; \ (gate).gd_rsv1 = 0; \ (gate).gd_type = (istrap) ? STS_TG32 : STS_IG32; \ (gate).gd_s = 0; \ (gate).gd_dpl = (dpl); \ (gate).gd_p = 1; \ (gate).gd_off_31_16 = (uint32_t)(off) >> 16; \ } ``` 我们刚打开`trap.c`文件的时候，就可以看到，变量`idt`其实是空的： ```c // File: trap.c // Line: 28 static struct gatedesc idt[256] = {{0}}; ``` 在`SETGATE`中也可以看出，这个宏一直在修改参数`gate`的值，对比该参数的成员以及`idt`的类型`struct gatedesc`，很明显就可以得知，要传入的第一个参数就是`idt`了。 再看第二个参数`istrap`的解释，传入`1`表示这是一个`trap`，等效于`exception`，传入`0`表示这是一个`interrupt gate`，所以对所有的中断，我们要传入的就是`0`了。 **注**：此处有争议，具体见参考文献*SETGATE宏的第二个参数istrap的设置*。 第三个参数`sel`指的是代码段选择子，看到这个就会联想到GDT表中也设置过相关的东西。这里的描述可能有点不太清楚，但是经过一番追查，我们可以找到`memlayout.h`，查看注释可以了解到，`SEG`开头的是段代码，`GD`开头的是段描述符，那么很显然我们应该选择的是`GD`开头的了。 ```c // File: memlayout.h // Line: 6-18 /* global segment number */ #define SEG_KTEXT 1 #define SEG_KDATA 2 #define SEG_UTEXT 3 #define SEG_UDATA 4 #define SEG_TSS 5 /* global descriptor numbers */ #define GD_KTEXT ((SEG_KTEXT) << 3) // kernel text #define GD_KDATA ((SEG_KDATA) << 3) // kernel data #define GD_UTEXT ((SEG_UTEXT) << 3) // user text #define GD_UDATA ((SEG_UDATA) << 3) // user data #define GD_TSS ((SEG_TSS) << 3) // task segment selector ``` 然后是具体的描述符的选择，这里要求是代码段，排出以`DATA`结尾的数据段选择子，然后现在是处于内核态，排除`GD_UTEXT`，可以得知这里应该选择的是`GD_KTEXT`了。 接着是需要执行代码的偏移`off`，中断需要执行的当然是中断向量咯，所以这里我们选择使用`__vectors`变量。 最后一个是调用该中断需要的特权级，即特权级描述符DPL，我们刚才在追查`memlayout.h`时也有发现，这里定义了`DPL_KERNEL`和`DPL_USER`，作为内核态的中断，应该只允许内核调用，不允许用户调用，当然应该选择`DPL_KERNEL`。 `SETGATE`完成之后，不要忘记执行一下`lidt`指令。那么说到这里，需要编写的代码就呼之欲出了。 ```c // File: trap.c extern uintptr_t __vectors[]; int i; for (i = 0; i < sizeof(idt) / sizeof(struct gatedesc); i ++) SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL); lidt(&idt_pd); ``` 注：更详细的解释见参考文献中piazza里陈老师的回答。 ### 参考文献 * [Interrupt Vector Table - OSDev Wiki](https://wiki.osdev.org/Interrupt_Vector_Table) * [Interrupt Descriptor Table - OSDev Wiki](https://wiki.osdev.org/Interrupt_Descriptor_Table) * [关于lab1的SETGATE函数](https://piazza.com/class/i5j09fnsl7k5x0?cid=102) * [SETGATE宏的第二个参数istrap的设置](https://piazza.com/class/i5j09fnsl7k5x0?cid=125) ## 对时钟中断进行处理 ### 问题分析 1. 如何对时钟中断进行处理？ ```c case IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER: /* LAB1 YOUR CODE : STEP 3 */ /* handle the timer interrupt */ /* (1) After a timer interrupt, you should record this event using a global variable (increase it), such as ticks in kern/driver/clock.c * (2) Every TICK_NUM cycle, you can print some info using a funciton, such as print_ticks(). * (3) Too Simple? Yes, I think so! */ ticks ++; if (ticks % TICK_NUM == 0) print_ticks(); break; ``` 根据提示，我们很容易就能在该位置写出以上代码。 很简单吗？ 是的，非常简单。