本章代碼有一定難度葱椭，請(qǐng)參看視頻獲得更詳細(xì)的代碼開發(fā)流程：
Linux kernel Hacker, 從零構(gòu)建自己的內(nèi)核

上一節(jié)鸿秆，我們繪制了鼠標(biāo)圖案，遺憾的是帚稠，鼠標(biāo)箭頭是死的谣旁，動(dòng)不了，要想讓鼠標(biāo)移動(dòng)滋早，我們需要為內(nèi)核建立中斷機(jī)制榄审。當(dāng)我們移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，鼠標(biāo)會(huì)給CPU發(fā)送信號(hào)杆麸，CPU接收到信號(hào)后搁进，終止當(dāng)前的運(yùn)算浪感，執(zhí)行內(nèi)核給定的代碼以處理鼠標(biāo)發(fā)送的信號(hào)，在這段代碼中饼问，內(nèi)核根據(jù)鼠標(biāo)發(fā)送過來的相關(guān)信息篮撑，重新繪制鼠標(biāo)圖像，那么匆瓜，屏幕中的鼠標(biāo)就可以根據(jù)鼠標(biāo)硬件的挪動(dòng)而發(fā)送改變了赢笨。

這樣，我們就面臨兩個(gè)問題驮吱，一是鼠標(biāo)如何給CPU發(fā)送信號(hào)茧妒，二是CPU在接收信號(hào)后，怎么去執(zhí)行內(nèi)核提供的一段代碼左冬。我們先看第一個(gè)問題的處理桐筏，外設(shè)硬件要給CPU發(fā)送信號(hào)，需要通過專門的處理芯片拇砰，這個(gè)芯片叫可編程控制器梅忌，俗稱8259A:

####****中斷信號(hào)的發(fā)送機(jī)制

這里寫圖片描述

從上圖可以得知，每一個(gè)8259A控制器有8根中斷信號(hào)線除破，總共可以接入15個(gè)外設(shè)硬件牧氮，一般情況下，鼠標(biāo)接入的是從8259A所對(duì)應(yīng)的IRQ4這根信號(hào)線瑰枫，鼠標(biāo)發(fā)送信號(hào)時(shí)踱葛，先通過管線IRQ4將信號(hào)傳遞到從8259A,然后通過管線IRQ2傳遞到主8259A,最后信號(hào)再傳遞給CPU，鍵盤產(chǎn)生的中斷通過主8259A的IRQ1管線向CPU發(fā)送信號(hào).

既然有硬件光坝，那就需要對(duì)其初始化后才能使用尸诽，對(duì)硬件的控制我們前面已經(jīng)說過，需要通過端口發(fā)送命令來完成盯另，要配置這兩個(gè)控制器性含，我們需要對(duì)指定端口發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個(gè)一字節(jié)(8 bit)的數(shù)據(jù)鸳惯，我們稱之為ICW(initialization control word).主8259A對(duì)應(yīng)的端口地址是20h,21h, 從8259A對(duì)應(yīng)的端口是A0h和A1h. 對(duì)端口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)商蕴，順序是定死的，不能違背：

1. 往端口20h（主片）或A0h（從片)發(fā)送ICW1
2. 往端口21h（主片）或A1h（從片)發(fā)送ICW2
3. 往端口21h（主片）或A1h（從片)發(fā)送ICW3
4. 往端口20h（主片）或A0h（從片)發(fā)送ICW4

接下來我們可以看看每個(gè)ICW的結(jié)構(gòu)和意義：
ICW1[0...7]:
ICW1[0] 設(shè)置為1表示需要發(fā)送ICW4,0表示不需要發(fā)送ICW4.
ICW1[1] 設(shè)置為1表示單個(gè)8259, 0表示級(jí)聯(lián)8259
ICW1[2] 設(shè)置為1表示4字節(jié)中斷向量悲敷，0表示8字節(jié)中斷向量
ICW1[3] 設(shè)置為1表示中斷形式是水平觸發(fā)究恤，0表示邊沿觸發(fā)
ICW1[4] 必須設(shè)置為1
ICW1[5,6,7] 必須設(shè)置為0

ICW2[0...7]:
ICW2[0,1,2] 對(duì)于80X86架構(gòu)必須設(shè)置為0
ICW2[3...7]: 80X86中斷向量

ICW3[0...7](主片):
ICW3[0] 設(shè)置為1， IR0級(jí)聯(lián)從片后德，0無從片
ICW3[1] 設(shè)置為1， IR1級(jí)聯(lián)從片抄腔，0無從片
ICW3[2] 設(shè)置為1瓢湃， IR2級(jí)聯(lián)從片理张，0無從片
ICW3[3] 設(shè)置為1， IR3級(jí)聯(lián)從片绵患，0無從片
ICW3[4] 設(shè)置為1雾叭， IR4級(jí)聯(lián)從片，0無從片
ICW3[5] 設(shè)置為1落蝙， IR5級(jí)聯(lián)從片织狐，0無從片
ICW3[6] 設(shè)置為1， IR6級(jí)聯(lián)從片筏勒，0無從片
ICW3[7] 設(shè)置為1移迫， IR7級(jí)聯(lián)從片，0無從片

ICW3[0...7](從片)：
ICW3[0,1,2] 從片連接主片的IR號(hào)
ICw3[3...7] 必須是0

ICW4[0...7]:
ICW4[0] 設(shè)置為1管行，表示x86模式厨埋，0表示MCS 80/85模式
ICW4[1] 設(shè)置為1，自動(dòng)EOI捐顷；0 正常EOI
ICW4[2,3] 表示主從緩沖模式
ICW4[4] 1表示SFNM模式; 0 sequential 模式
ICW4[5,6,7] 設(shè)置為0

上面一些概念大家可能不明白荡陷，不用擔(dān)心，繼續(xù)往下走迅涮，后面我再對(duì)應(yīng)解釋废赞。下面我們通過代碼配置兩個(gè)中斷控制器：
1: 先向主8259A發(fā)生ICW1:
mov al, 011h
out 02h, al

011h 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制是00010001,對(duì)應(yīng)ICW1的說明，由于ICW1[0]=1表示需要發(fā)送ICW4, ICW1[1] = 0,說明有級(jí)聯(lián)8259A（我們買來的電腦都是級(jí)聯(lián)的）叮姑，
ICW1[2] =0 表示用8字節(jié)來設(shè)置中斷向量號(hào)蛹头，ICW1[3]=0表示中斷形式是邊沿觸發(fā)，ICW[4]必須設(shè)置為1戏溺，ICW[5,6,7]必須是0.

2: 向從8259A發(fā)送ICW1:
out A0h, al
3: 向主8259A發(fā)送ICW2:
mov al, 20h
out 021h, al

20h 分解成ICW2 是, ICW2[0,1,2] = 0, 這是強(qiáng)制要求的渣蜗，也就是ICW2的值不能是0x21,0x22之類，只要前三位不是0就不行旷祸，整個(gè)ICW2 = 0x20,這樣的話耕拷，當(dāng)主8259A對(duì)應(yīng)的IRQ0管線向CPU發(fā)送信號(hào)時(shí)，CPU根據(jù)0x20這個(gè)值去查找要執(zhí)行的代碼托享，IRQ1管線向CPU發(fā)送信號(hào)時(shí)骚烧，CPU根據(jù)0x21這個(gè)值去查找要執(zhí)行的代碼，依次類推闰围。

4: 向從8259A發(fā)送ICW2:
mov al, 028h
out A1h, al

028h分解成ICW2是ICW[0,1,2]=0,這是強(qiáng)制要求赃绊，整個(gè)ICW2為0x28，表示當(dāng)從8259A的IRQ0管線發(fā)送信號(hào)時(shí)羡榴，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)0x28去查找要執(zhí)行的代碼碧查，IRQ1管線發(fā)送信號(hào)時(shí)，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)0x29去查詢要執(zhí)行的代碼，以此類推忠售。

5: 向主8259A發(fā)送ICW3
mov al, 04h
out 21h, al

04h 分解成ICW3 相當(dāng)于ICW[2] = 1, 這表示從8259A通過主IRQ2管線連接到
主8259A控制器传惠，如上圖所示
6： 向從8259A 發(fā)送 ICW3
mov al, 02h
out Alh , al
根據(jù)從片的ICW3, 將02h對(duì)應(yīng)過來是， ICW[0,1,2] = 2, 表示當(dāng)前從片是從IRQ2管線接入主8259A芯片的稻扬，如上圖卦方。

7： 向主8259A發(fā)送ICW4:
mov al, 002h
out 021h, al

001h 對(duì)應(yīng)的ICW4為，ICW4[0]=1表示當(dāng)前CPU架構(gòu)師80X86泰佳，ICW4[1]=1表示自動(dòng)EOI, 如果這位設(shè)置成0的話盼砍，那么中斷響應(yīng)后，代碼要想繼續(xù)處理中斷逝她，就得主動(dòng)給CPU發(fā)送一個(gè)信號(hào)浇坐，如果設(shè)置成1，那么代碼不用主動(dòng)給CPU發(fā)送信號(hào)就可以再次處理中斷汽绢。

8: 向從8259A發(fā)送ICW4,原理同上：
out 0A1h, al

當(dāng)上面的配置完成后吗跋，我們還需要再向兩個(gè)芯片分別發(fā)送一個(gè)字節(jié)，叫OCW(operation control word), 一個(gè)OCW是一字節(jié)數(shù)據(jù)宁昭，也就是8bit,每一bit設(shè)置作用是跌宛，當(dāng)OCW[i] = 1 時(shí),屏蔽對(duì)應(yīng)的IRQ(i)管線的信號(hào)，例如OCW[0]=1, 那么IRQ0管線的信號(hào)將不會(huì)被CPU接收积仗，以此類推疆拘。配置代碼如下：

mov al, 11111101b
out 21h, al

表示CPU只接收主8259A, IRQ1管線發(fā)送的信號(hào)，其他管線發(fā)送信號(hào)一概忽略寂曹，IRQ1對(duì)應(yīng)的是鍵盤產(chǎn)生的中斷哎迄。

mov al, 11111111b
out 0A1h, al

上面代碼使得CPU忽略所有來自從8259A芯片的信號(hào)。
當(dāng)我們移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)隆圆，鼠標(biāo)是通過從8259A的IRQ4管線向CPU發(fā)送信號(hào)漱挚。
綜合以上，我們得到的初始化代碼如下：

init8259A:
 init8259A:
     mov  al, 011h
     out  02h, al
     call io_delay
  
     out 0A0h, al
     call io_delay

     mov al, 020h
     out 021h, al
     call io_delay

     mov  al, 028h
     out  0A1h, al
     call io_delay

     mov  al, 004h
     out  021h, al
     call io_delay

     mov  al, 002h
     out  0A1h, al
     call io_delay

     mov  al, 002h
     out  021h, al
     call io_delay

     out  0A1h, al
     call io_delay

     mov  al, 11111101b;允許接收鍵盤中斷
     out  021h, al
     call io_delay

     mov  al, 11111111b
     out  0A1h, al
     call io_delay

     ret

io_delay:
     nop
     nop
     nop
     nop
     ret
  

####****中斷代碼的執(zhí)行機(jī)制
前面我們處理了硬件如何發(fā)送信號(hào)的問題渺氧，接下來旨涝，我們看看，當(dāng)CPU接收到信號(hào)后侣背，如何執(zhí)行內(nèi)核指定的代碼白华。要執(zhí)行相應(yīng)代碼，CPU必須知道代碼所在的內(nèi)存位置贩耐，這個(gè)信息是通過中斷描述符表來實(shí)現(xiàn)的弧腥，我們看看中斷描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct GATE_DESCRIPTOR {
short offset_low;
short selector;
char dw_count;
char attribute;
short offset_high;
};

中斷描述符跟前面說到的全局描述符類似，也是用于描述內(nèi)存性質(zhì)的潮太，只不過它專門用于描述可執(zhí)行代碼所在的內(nèi)存管搪， offset_low 和 offset_high 合在一起作為中斷函數(shù)在代碼執(zhí)行段中的偏移，selector 用來指向全局描述符表中的某個(gè)描述符，中斷函數(shù)的代碼就處于該描述符所指向的段中抛蚤，dw_count設(shè)置為0台谢，attribute設(shè)置為08Eh寻狂，我們看看如何在內(nèi)核中加載中斷描述符表：

;Gate selecotor, offset, DCount, Attr
%macro Gate 4
  dw  (%2 & 0FFFFh)
  dw  %1
  dw  (%3 & 1Fh) | ((%4 << 8) & 0FF00h)
  dw  ((%2>>16) & 0FFFFh)
%endmacro

上面匯編代碼中岁经，%2對(duì)應(yīng)的是4字節(jié)的地址偏移，把地址偏移的低2字節(jié)放到中斷門的前兩字節(jié)蛇券，接下來的一字節(jié)是宏定義的第一個(gè)參數(shù)缀壤，是中斷代碼所在的代碼段的全局描述符，第三行設(shè)置中斷描述符的屬性纠亚，當(dāng)前寫死為08Eh,最后一行設(shè)置中斷代碼偏移的高二字節(jié)塘慕。

在內(nèi)核代碼里，當(dāng)全局描述符表加載到CPU后蒂胞，就是我們加載中斷描述符表的時(shí)機(jī)了图呢，首先我們要初始化一個(gè)中斷描述符：

LABEL_IDT:
%rep  255
    Gate  SelectorCode32, SpuriousHandler,0, DA_386IGate
%endrep

IdtLen  equ $ - LABEL_IDT
IdtPtr  dw  IdtLen - 1
        dd  0

上面代碼中，我們通過指令%rep 255 重復(fù)定義255個(gè)中斷描述符骗随，這么說來蛤织，CPU其實(shí)可以支持255種中斷，其中兩個(gè)8259A芯片的15個(gè)中斷信號(hào)就包含在255個(gè)中斷中鸿染，SpuriousHandler是中斷代碼的入口指蚜，我們把255個(gè)中斷的處理代碼都設(shè)置成SpuriousHandler,也就是無論哪個(gè)中斷發(fā)生，都調(diào)用這個(gè)函數(shù)來處理:

     xor   eax, eax
     mov   ax,  ds
     shl   eax, 4
     add   eax, LABEL_IDT
     mov   dword [IdtPtr + 2], eax
     lidt  [IdtPtr]

上面代碼跟以前我們加載全局描述符表是一樣的,由于加載全局描述符時(shí)我們使用指令cli關(guān)閉了中斷功能涨椒，因此我們需要回復(fù)中斷功能摊鸡，CPU才能相應(yīng)來自8259A芯片的信號(hào)：

  [SECTION .s32]
     [BITS  32]
     LABEL_SEG_CODE32:
     ;initialize stack for c code
     mov  ax, SelectorStack
     mov  ss, ax
     mov  esp, TopOfStack

     mov  ax, SelectorVram
     mov  ds,  ax

     mov  ax, SelectorVideo
     mov  gs, ax

     sti
     %include "write_vga_desktop.asm"
    
     jmp  $

上面的代碼通過運(yùn)行指令sti 恢復(fù)中斷功能。最后再看看SpuriousHandler的實(shí)現(xiàn)：

_SpuriousHandler:
SpuriousHandler  equ _SpuriousHandler - $$
call intHandlerFromC
iretd

當(dāng)點(diǎn)擊鍵盤蚕冬，引發(fā)中斷時(shí)免猾，_SpuriousHandler的代碼被調(diào)用，它又調(diào)用了C模塊實(shí)現(xiàn)的函數(shù)intHandlerFromC囤热。我們看看C語言怎么實(shí)現(xiàn)intHandlerFromC的：

void intHandlerFromC(char* esp) {
    char*vram = bootInfo.vgaRam;
    int xsize = bootInfo.screenX, ysize = bootInfo.screenY;
    boxfill8(vram, xsize, COL8_000000, 0,0,32*8 -1, 15);
    showString(vram, xsize, 0, 0, COL8_FFFFFF, "PS/2 keyboard"); 
    for (;;) {
        io_hlt();
    }
    show_char();
}

上面函數(shù)先繪制一個(gè)背景為黑色的矩形猎提，在矩形里用白色的字體顯示字符串"PS/2 keyboard"。當(dāng)上面的代碼編譯后赢乓，啟動(dòng)虛擬機(jī)加載內(nèi)核忧侧，初始畫面如下：

這里寫圖片描述

然后隨便點(diǎn)擊鍵盤一個(gè)按鈕，結(jié)果如下：

這里寫圖片描述

可見牌芋，我們中斷機(jī)制的設(shè)置完全正確蚓炬，CPU能夠接收8259A芯片，同時(shí)CPU能夠正確的執(zhí)行內(nèi)核提交的中斷處理函數(shù)躺屁。