DLLpiton.net.ru
Главная arrow Статьи arrow Прерывания в защищенном режиме процессора IA-32
Главная
Форум
Магазин
- - - - - - -
Исходники
Статьи
Материалы
FTP
- - - - - - -
Поиск
Каталог ссылок
Контакты
Ленты новостей
Ча.Во. (FAQ)
Анекдоты
Java программы
Доска заказов программ
Лицензия Dllpiton
Кто на сайте?
 
Прерывания в защищенном режиме процессора IA-32 Печать E-mail

by Great

18 марта, 2007

Вообщем-то на написание этой статьи меня толкнула незавершённость цикла статей http://www.wasm.ru/series.php?sid=20 "Процессор Intel в защищенном режиме". К сожалению, автор не успел рассмотреть детально сам процесс переключения режимов, смены адресации, а так же обработку прерываний, без которой невозможна полноценная работа программы в защищенном режиме. Писать мы будем код для транслятора FASM, сгенерируем чистый бинарный файл и используем его как образ загрузочной дискеты в эмуляторе Bochs или запишем на дискету и загрузим с нее реальный компьютер.

После Power-On-Self-Test процессор генерирует прерывание 19h, обработчик которого управляет дальнейшим ходом загрузки. Он находит первый (в порядке приоритетов, устанавливаемых в BIOS Setup) загрузочный диск, считывает его первый сектор по линейному адресу 07C00 и передает ему управление.

Поскольку процессор при загрузке работает в реальном режиме с 16битной адресацией, нашей задачей будет переключение процессора в защищенный режим с 32битной адресацией, установка обработчиков прерываний и считывание символов с клавиатуры. Так же мы рассмотрим процесс переключения из защищенного режима обратно в реальный.

Итак, сначала некоторые подготовительные действия. Поскольку наше тело загрузят по адресу 7C00 и мы вряд ли уместимся в пределы одного сектора (512 байт), надо обеспечить загрузку всего остального кода с диска. Этот код приведу без дополнительных пояснений, потому что он не совсем в тему нашей статьи:

Теперь в памяти аккуратно распологается весь наш код. Далее нам необходимо включить отключенные (опять же для совместимости) адресные линии, потому что после включения компьютера функционируют только адресные линии A0-A19. Для использования полноценной 32битной адресации нам нужно включить адресную линию A20, установкой бита 1 на порту ввода-вывода 92h:

На время переключения режимов обязательно надо отключить все прерывания, ибо первый же тик таймера свалит нашу систему. Мы отключим не только аппаратные прерывания, но и замаскируем NMI установкой 7-го бита (отсчет веду с нулевого, как всегда; по счету он, конечно, восьмой) в порту 70h:

Далее нам необходимо построить GDT и IDT. Если с GDT все понятно, то про IDT стоит рассказать подробнее. И в реальном и в защищенном режиме в регистре IDTR процессор хранит адрес и лимит таблицы прерываний.



В реальном режиме база IDTR = 00000h, а лимит - 3FFh (размер 400h байт минус еденица). По адресу 00000 находится так называемая таблица векторов прерываний (Interrupt Vector Table), состоящая из 256 векторов. Каждый вектор содержит смещение и сегмент своего обработчика. Обе компоненты занимают 2 байта, таким образом общий размер таблицы составляет 256*2*2 = 1024 = 400h байт.



В защищенном режиме дело обстоит совершенно по-другому. IDTR должен указывать на так называемую дескрипторную таблицу прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT), состоящую из 8байтных дескрипторов для каждого прерывания, которая может содержать шлюзы задачи, прерывания и ловушки. Мы рассмотрим только шлюз прерывания.



Шлюз прерывания описывается следующей структурой:





Как нетрудно заметить, его формат напоминает дескриптор из GDT/LDT, но есть некоторые изменения. Первое и последнее слова дескриптора шлюза прерывания содержат 32битный адрес обработчика прерывания (зеленое поле "смещение" на картинке). Второе слово содержит селектор сегмента кода, где находится код обработчика. Из дескрипторов сегмента унаследованы только следующие биты:



P (Present) - бит присутствия. Если =1, прерывание обрабатывается, если =0 генерируется исключение общей защиты. DPL (Descriptor Privilege Level) - уровень привилегий, о нем позже. D - разрядность.



При генерации прерывания происходит следующее. Из IDTR извлекается база таблицы дескрипторов прерываний. В этой таблице по номеру прерывания находится дескриптор шлюза прерывания. Если его бит Present сброшен, генерируется исключение общей защиты. Если текущий уровень привилегий отличается от уровня привилегий обработчика, происходит переключение стека и в стеке обработчика сохраняется указатель на стек прерванной задачи (SS и ESP). В стек помещаются регистры EFLAGS, CS, EIP. Для некоторых исключений последним в стек помещается еще и код ошибки, который, кстати, должен вытолкнуть обработчик исключения после обработки. Очищается бит TF, для программного прерывания или исключения сбрасываются биты VM, RF и NT. При вызове обработчика через шлюз прерывания очищается бит IF, блокируя дальнейшие маскируемые аппаратные прерывания.



После обработки прерывания обработчик должен вытолкнуть из стека код ошибки, если он там есть, и выполнить инструкцию IRETD, которая восстанавливает регистр флагов из стека (поле IOPL меняется, если CPL=0, IF меняется, если CPL<=IOPL). Если уровень привилегий прерванной задачи не равен уровню привилегий обработчика, выталкиваются регистры SS и ESP (обратное восстановление стека).



При вызове прерывания действуют механизмы защиты:



- не позволяется передача управления к менее привилегированному коду, если DPL сегмента кода обработчика больше, чем CPL - в отличие от обычной передачи управления, не проверяется поле RPL селектора - поле DPL шлюза прерывания проверяется только при генерации программного прерывания (INT, INT3, INTO). Для исключений и аппаратных прерываний оно игнорируется



Мы создадим таблицу прерываний только из 34 записей. Процессору, грубо говоря, наплевать, что их количество не равно 256. Просто при вызове неопределенных в ней прерываний будет исключение общей защиты. Мы определим обработчики для следующих прерываний:

1 - это у нас будет системный сервис вывода строки на экран =) будет выводить с текущего места ASCIIZ-строку, адрес которой лежит в ESI

13 - обработчик исключения общей защиты #GP. Покажем строчку "** GENERAL PROTECTION FAULT **" на экране

32 - IRQ0 - системный таймер. будем по тику таймера менять буковку на экране (смотрится прикольно ;))

33 - IRQ1 - клавиатура. мы будем отображать символы на экране один за одним, не различая регистр и не воспринимая функциональные клавиши, за одним исключением. Когда будет нажата клавиша <Esc>, мы попробуем переключиться в реальный режим, вызвать прерывание 10h BIOS с кодом AH=3 для очистки экрана и вернуться обратно в защищенный.



Вот такие нехитрые обработчики. Теперь самое время составить таблицу дескрипторов прерываний для нашего загрузчика:

Обращаю внимание на второй IDTR - REAL_IDTR. Он как раз содержит base=0, limit=3ffh, чтобы загрузить его потом при переключении в реальный режим.



Вернемся к загрузке. Мы пока что только разрешили адресную линию A20. Самое время загрузить GDTR и IDTR:

Далее нам необходимо включить защищенный режим установкой младшего бита служебного регистра CR0:

Что же теперь мы имеем? Процессор уже находится в защищенном режиме, однако код продолжает выполняться в 16битном сегменте (мы ведь помним про так называемые теневые части сегментых регистров. Теневая часть CS все еще хранит 16битный дескриптор сегмента, который нам достался "в наследство" от реального режима).



Самое время перезагрузить дескриптор CS командой дальнего джампа и перейти, наконец, в 32битный режим:

Теперь смело ставим директиву use32 в fasm'е, указывая ему на то, что теперь код выполняется в 32битном режиме и стоит изменить режим генерации префиксов 66 и 67 у опкодов.



Но мы поменяли только регистр CS, в остальные сегментные регистры так и содержат до сих пор старые значения. Пора бы и их переинициализировать селекторами новых сегментов:

Раз мы загрузили нормальный регистр IDTR, мы можем со спокойной совестью, наконец, разрешить аппаратные прерывания и NMI, которые мы запретили на время перехода:

Теперь процессор переведен в полноценный 32битный защищенный режим. Воспользуемся нашим системным сервисом INT 1 и проинформируем об этом пользователя выводом строки "Switched to ProtectedMode. Press to clear display" на экране:

Далее ставим положение последующего вывода строк на 160 (третья строчка экрана) и переходим в бесконечный цикл ожидания прерываний:

Теперь рассмотрим наши обработчики. Начнем с простого - системный сервис INT 1:

Я думаю, ничего пояснять не надо ) Кроме того, что селектор ES у нас по-прежнему должен указывать в сегмент видеобуфера.



Далее обработчик #GP - покажем злостные ругательства и возвратим управление. Стоит заметить, что управление возвращается на ту же инструкцию, которая и вызвала исключение. Не забываем так же вытолкнуть из стека 4х байтный код ошибки.

Далее мы напишем обработчик IRQ0 от системного таймера. Мы будем инкрементировать байт ES:[0], который является самым первым байтом видеобуфера и будет отображаться в левом верхнем углу экрана:

Где int_EOI - наш "ничегонеделающий" обработчик, который просто сбрасывает заявку в контроллере прерываний.



Рассмотрим подробнее аппаратные прерывания. В компьютере есть программируемый контроллер прерываний, котогрый тесно взаимосвязан с процессором:

При возникновении аппаратного прерывания инициируется выход #INT контроллера. Он напрямую соединен с входом #INTR процессора. Если флаг IF=0, прерывание отбрасыватеся. Процессор опрашивает вход #INTR после выполнения каждой инструкции. Как только обнаруживается сигнал, процессор сразу же подтверждает прерывание через выход #INTA. Контроллер прерываний принимает сигнал INTA и выставляет на шину данных значние номера прерывания. Процессор считывает номер прерывания и входит в прерывание по описанной выше схеме. Контроллер прерываний 8259A имеет восемь входов IRQ0-IRQ7, открытых для внешних источников, выход INT и вход INTA, соединенные с #INTR и #INTA входом и выходом процессора соответственно. При получении внешнего прерывания на шине данных формируется номер прерывания из суммы IRQ-номера входа и некоторого базового значения, которое обычно равно восьми, а в защищенном режиме придется базу сдвинуть до 20h, как именно - смотри ниже. Таким образом, при получении сигнала на входе IRQ0 генерируется прерывания 8 (у нас будет 32), IRQ1 - 9 (33) и так далее.



При поступлении нескольких заявок от разных источников они обрабатываются по порядку начиная с меньшего номера IRQ. Можно также выборочно заблокировать некоторые заявки от отдельных IRQ-входов. Блокировку, или маскирование заявок, а так же выбор заявки с наибольним приоритетом обеспечивают три байтовых регистра контроллера - interrupt Mask register (iMr), interrupt Request register (iRr), interrupt Service register (iSr) и арбитр приоритетов Page Resolver (PR).



Каждый вход IRQ блокируется отдельным битом регистра масок iMr. Если прерывания на входе IRQn разрешены, бит n регистра iMr сброшен. Регистр маски iMr подключен к порту 21h процессора.



Пусть поступление запросов на вход IRQn разрешено - бит n регистра iMr сброшен. Бит n регистра запросов на прерывание iRr установится, когда придет сигнал на вход IRQn. Арбитр приоритетов PR по значению регистра iSr принимает решение о возможности обслуживания запроса. Заявка может быть принята к обслуживанию, если в регистре iSr не зафиксировано заявок с равным или большим номером. Если все нормально, контроллер выставляет сигнал INT. Заявка принимается к обслуживанию при получении сигнала INTA от процессора, на шину данных выставляется номер прерывания, бит n регистра iRr сбрасывается, бит n регистра iSr устанавливается. Установленный бит n регистра iSr теперь блокирует прерывания от входов с номерами большими либо равными n. Блокировку необходимо снять вручную в процедуре обсдуживания прерывания сбросом бита x в регистре iSr, который подключен к порту 20h (нужно записать значение 3Nh, где N - номер входа). На практике обычно пользуются командой неопределенного сброса, реализуемой посылкой в порт 20h значения 20h. По этой команде в iSr сбрасывается заявка с наименьшим номером - которая обслуживается в данный момент как наиболее приоритетная.



8 входов слишком мало, поэтому чаще всего используются два контроллера прерываний 8259A - так называемые ведомый контроллер, выход INT которого подключен к входу IRQ2 ведущего контроллера, который уже в свою очередь общается с процессором. Это называется каскадным включением контроллеров прерываний. Регистр iMr ведомого контроллера доступен через порт 0a1h, а регистр iSr - через 0a0h.



Теперь стало ясно, как должен выглядеть минимальный обработчик внешних IRQ прерываний - посылка неопределенного сброса контроллеру прерываний обоим контроллерам:

Теперь рассмотрим обработчик прерывания IRQ1 от клавиатуры. Прерывание IRQ1 генерируется контроллером клавиатуры каждый раз при нажатии клавиши. Обработчику клавиатуры скан-код считанной клавиши доступен для чтения через порт 060h. Скан-код нужно преобразовать в соответствующий ему ASCII-код символа (если он печатаем) и отобразить на экране. Преобразование произведем по следующей таблице:

Эта таблица содержит символы, индексы которых в таблице соответствуют их сканкодам, либо нули, если символы непечатаемые. Поскольку нажатие клавиш Shift и Caps Lock мы не обрабатываем, поэтому регистр букв у нас различаться не будет. В нашем обработчике нам нужно проверить, нажата ли клавиша (Её скан-код равен еденице). Если это действительно так, то вызовем процедуру переключения в реальный режим и генерации там прерывания 10h для очистки экрана. Если это не так, отобразим символ на экране. В любом случае нужно перед сбросом заявки на прерывание в контроллере прерываний послать подтверздение обработки прерывания контроллеру клавиатуры в порт 061h - необходимо установить и сразу сбросить 7 бит этого порта. После чего необходимо сбросить заявку на прерывание и вернуть управление:

Нам осталось определить функцию REAL_MODE_SWITCH_SERVICE, которой в стеке нужно передать номер прерывания и которая будет делать следующее:

полноценный переход в 16битный реальный режим

генерация прерывания с заданным номером с сохранением регистров

переход обратно в 32битный защищенный режим и возврат управления.



Чтобы не портить контекст перед вызовом прерывания, нам нужно позаботиться о сохранении тех регистров, которые мы собираемся изменять в процессе перехода:

Далее достаем из стека номер прерывания командой mov cl, [esp+4]. После этого отключаем аппаратные прерывания и NMI уже известным нам способом, предварительно запомнив командой pushfd старые флаги. После этого загружаем в IDTR регистр, описывающий таблицу векторов прерываний в реальном режиме:

Теперь нам нужно передать управление в 16битный сегмент с лимитом 64К. Это нужно обязательно сделать перед (!) переключением в реальный режим. Иначе мы получим не реальный режим, а так называемый Unreal Mode, который нас не интересует. Итак, перезагрузка регистра CS новым селектором:

Конечно, нужно поставить директиву use16, т.к. дальнейший код выполняется уже в 16битном сегменте. Теперь можно переключиться в реальный режим сбросом бита Protect Enable (PE) в управляющем регистре CR0:

Теперь мы находимся в реальном режиме и в теневой части регистра CS находится дескрикптор 16битного малого сегмента. Однако, регистры DS,SS,ES все еще хранят старые значения, для чего их сразу же нужно перезагрузить. Заодно разрешаем аппаратные прерывания и NMI.

Теперь динамически сформируем команду INT xx, потому что система команд архитектуры IA-32 поддерживает только команду INT с фиксированным номером прерывания. Нам придется сформировать ее динамически: опкод команды INT xx равен CD xx. Перед генерацией прерывания заодно восстановим регистры ax и cl, которые подвергались изменению в процессе переключения:

После возврата из прерывания запомним возвращенное значение ax, т.к. мы его поменяем в процессе обратного переключения. Далее все по-новой: запрет аппаратных прерываний и NMI, инициализация защищенного режима, прыжок в 32битный сегмент кода, перезагрузка селекторов DS,ES,SS.



Далее восстанавливаем AX, восстановление флагов командой popfd (нельзя тупо сделать sti, что казалось бы более очевидным, потому как перед во время вызова REAL_MODE_SWTICH_SERVICE прерывания отключены!) и делаем RET с выталкиванием четырех байт из стека (номер прерывания):

На этом мы, собственно, закончим наше и так затянувшееся повествование. Исходный код загрузчика и файл конфигурации Bochs (только в нем надо пути сменить на другие к ROM-BIOS) можно найти здесь: http://gr8.cih.ms/uploads/loader.rar



Пока!



(C) Great, 2007



В статье использованы материалы wasm.ru, dims.karelia.ru и книги А.Жуков, А.Авдюхин "Ассемблер", СПб.:"БХВ-Петербург", 2003.



ЗЫ. Как было справедливо замечено, вектора 0..1F заняты исключениями. Поэтому IRQ желательно перенсести, перепрограммировав контроллер следующей подпрограммой:

В код загрузки после инициализации протектед моде но перед включением прерываний придется добавить

для переноса IRQ на 20..27 для ведущего и 28..2F для ведомого контроллеров.



 
« Пред.   След. »
 
 
 
19.06.2018 г.
up!