深入理解 x86/x64 的中断体系（2） 操作系统, 信息, 用户

yuyang911220

1.3 设置自己的中断服务例程  在中断向量表里还有许多空 vector 是未使用的，我们可以在这些空白的向量里设置自己的中断服务例程，典型的如： DOS 操作系统中使用了 0x21 号向量作为 DOS 提供给用户的系统调用！
  在这里我将展示，使用 0x40 向量作为自己的中断服务例程向量，我所需要做的是：
  

• 写一个自己的中断服务例程，在本例中的 my_isr
• 设置向量 0x40 的 segment 和 offset 值
• 调用 int 0x40 进行测试

  中断服务例程 my_isr 很简单，仅仅是打印信息：
   

;------------------------------------------------ ; our Interrupt Service Routine: vector 0x40 ;------------------------------------------------- my_isr:         mov si, msg3         call printmsg         iret

  接下来设置 vector 0x40 的 segment 和 offset：
  

mov ax, cs         mov bx, [new_IVT+2]  ; base of IVT         mov dword [bx+0x40*4], my_isr ; set offset 0f my_isr         mov [bx+0x40*4+2], ax  ; set segmet of my_isr

  记住 segment 在高位，offset 在低位，这个 segment 是我们当前的 CS，offset 是我们的 ISR 地址，直接写入 IVT 表中就可以了
  现在我们可以测试了：
  

int 0x40

  结果如下：
  
  我们的 ISR 能正常工作了，我提供了完整的示例源码和磁盘映像下载：interrupt_demo
  
    2. 保护模式下的中断机制    引入保护模式后，情形变得复杂多了，实施了权限控制机制，为了支持权限的控制增添了几个重要的数据结构，下面是与中断相关的结构：
  

• gate descriptor（门描述符）：用于描述和控制 Interrupt Service Routine 的访问，中断可使用的 gate 包括：
  • Interrupt-gate descriptor（中断门描述符）
  • Trap-gate descriptor（陷井门描述符）
  • Task-gate descriptor（任务门描述符）-- 在 64 位模式下无效
• interrupt descriptor table（中断描述符表）：用于存在 gate descriptor 的表格

  在 32 位保护模式下，每个 gate descriptor 是 8 bytes 宽，在 64 位模式下 gate descriptor 被扩充为 16 bytes, 同时 64 位模式下不存在 task gate descriptor，因此在 64 位下的 IDT 只允许存放 interrupt/trap gate descriptor。
  当我们执行调用中断时，processor 会在 IDT 表中寻找相应的 descriptor，并通过了权限检查转入相应的 interrupt service routine（大多数时候被称为 interrupt handler），在中断体系里分为两种引发方式：
  

• 由硬件引发请求
• 由软件执行调用

  然而软件上发起的中断调用还可分为：
  

• 引发 exception（异常） 执行 interrupt handler
• 软件请求执行 system service（系统服务），而执行 interrupt handler

  硬件引发的中断请求还可分为：
  

• maskable interrupt（可屏蔽中断）
• non-maskable interrupt（不可屏蔽中断）

  无论何种方式，进入 interrupt handler 的途径都是一样的。
  2.1 查找 interrupt handler 入口  在发生中断时，processor 在 IDTR.base 里可以获取 IDT 的地址，根据中断号在 IDT 表里读取 descriptor，descriptor 的职责是给出 interrupt handler 的入口地址，processor 会检查中断号（vector）是否超越 IDT 的 limit 值。
  
  上图是 interrupt handler 的定位查找图。在 32 位模式下的过程是：
  

• 从 IDTR.base 得到 IDT 表地址
• 从 IDTR.base + vector * 8（每个 descriptor 为 8 bytes）处读取 8 bytes 宽的 escriptor
• 对 descriptor 进行分析检查，包括：
  • descriptor 类型的检查
  • IDT limit 的检查
  • 访问权限的检查
• 从 gate descriptor 里读取 selector
• 判断 code segment descriptor 是存放在 GDT 表还是 LDT 表
• 使用 selector 从 descriptor table 读取 code segment descriptor，当然这里也要经过对 code segment descriptor 的检查
  • descriptor 类型检查
  • GDT limit 检查
  • 访问权限的检查
• 从 code segment descriptor 中读取 code segment base 值
• 从 gate descriptor 里读取 interrupt handler 的 offset 值
• 得取 interrupt handler 的入口地址：base + offset，转入执行 interrupt handler

  它的逻辑用 C 描述，类似下面：
  

long IDT_address;                             /* address of IDT */ long DT_address;                              /* GDT or LDT */ DESCRIPTOR gate_descriptor;                   /* gate descriptor */ DESCRIPTOR code_descriptor;                   /* code segment descriptor */ short selector;                               /* code segment selector */ IDT_address = IDTR.base;                      /* get address of IDT */ gate_descriptor = IDT_address + vector * 8;   /* get descriptor */ selector = gate_descriptor.selector;   DT_address = selector.TI ? LDTR.base : GDTR.base;                      /* address of GDT or LDT */   code_descriptor = GDT_address + selector * 8;                          /* get code segment descriptor */   interrupt_handler = code_descriptor.base + gate_descripotr.offset;     /* interrupt handler entry */ ((*(void))interrupt_handler)();                  /* do interrupt_handler() */

上面的 C 代码显示了 processor 定位 interrupt handler 的逻辑过程，为了清楚展示这个过程，这里省略了各种的检查机制！
  2.2 IDT 表中 descriptor 类型的检查  processor 会对 IDT 表中的 descriptor 类型进行检查，这个检查发生在：
  

当读取 IDT 表中的 descriptor 时

  在 IDT 中的 descriptor 类型要属于：
  

• S = 0：属于 system 类 descriptor
• descriptor 的 type 域应属于：
  • 1110：32-bit interrupt gate
  • 1111：32-bit trap gate
  • 0101：task gate
  • 0110：16-bit interrupt gate
  • 0111：16-bit trap gate

  非上述所说的类型，都将会产生 #GP 异常。当 descriptor 的 S 标志为 1 时，表示这是个 user 的 descriptor，它们是：code/data segment descriptor。可以看到在 32 位保护模式下 IDT 允许存在 interrupt/trap gate 以及 task gate
  2.3 使用 16-bit gate descriptor  在 32 位保护模式下 interrupt handler 也能使用 16-bit gate descriptor，包括：
  

• 16-bit interrupt gate
• 16-bit trap gate

  这是一个比较特别的现象，假如使用 16-bit gate 来构建中断调用机制，实际上等于 interrupt handler 会从 32-bit 模式切换到 16-bit 模式执行。只要构建环境要素正确这样切换执行当然是没问题的。
  这个执行环境要素需要注意的是：当使用 16-bit gate 时，也要相应使用 16-bit code segment descriptor。也就是在 gate descriptor 中的 selector 要使用 16-bit code segment selector。下面我写了个使用 16-bit gate 构建 interrupt 调用的例子：
  

; set IDT vector         mov eax, BP_handler         mov [IDT+3*8], ax                       ; set offset 15-0         mov word [IDT+3*8+2], code16_sel        ; 16-bit code selector         mov word [IDT+3*8+4], 0xc600            ; DPL=3, 16-bit interrupt gate         shr eax, 16         mov [IDT+3*8+8], ax                     ; offset 31-16

  上面这段代码将 vector 3 设置为使用 16-bit interrupt gate，并且使用了 16-bit selector
  下面是我的 interrupt handler 代码：
  

bits 16 ;----------------------------------------------------- ; INT3 BreakPoint handler for 16-bit interrupt gate ;----------------------------------------------------- BP_handler:        jmp do_BP_handler BP_msg     db 'I am a 16-bit breakpoint handler on 32-bit proected mode',0 do_BP_handler:        mov edi, 10        mov esi, BP_msg        call printmsg16        iret

  这个 interrupt handler 很简单，只是打印一条信息而已，值得注意的是，这里需要使用 bits 16 来指示编译为 16 位代码。
  那么这样我们就可以使用 int3 指令来调用这个 16-bit 的 interrupt handler，执行结果如图：