Форум АНТИЧАТ - Прерывания в защищенном режиме процессора Ia-32

Обработка прерываний в защищенном режиме процессора. Перевод в защищенный режим и обратно. Написание простого загрузчика.

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:

Код:

ORG 0x7C00

use16



start:

    jmp init



....



init:

    ; очистка экрана

    mov  ax,3

    int  10h



    ; иинициализация RM-сегментов и стека

    mov  ax, cs

    mov  ds, ax

    mov  es, ax

    mov  ss, ax

    mov  sp, start

    mov  bp, sp



    ; сие безобразие никак не умещается в пределы одного сектора (512 байт)...

    ; поэтому подгрузим остальные сектора в память

    mov  ah, 2  ; AH = Function                          : Read sectors

    mov  al, 10 ; AL = Number of sectors to read (1-128) : 10 ( с запасом ;-) )

    xor  ch, ch ; CH = Cylinder number (0-1023)          : 0

    mov  cl, 2  ; CL = Sector number (1-17)              : 2

    xor  dx, dx ; DH = Head number (0-15)                : 0

                ; DL = Drive number (0-A:, 1-B:)         : 0 (A:)

    mov  bx, start + 512

    int  13h

    jnc  continue_loading



    ; ошибка чтения. покажем сообщение и грохнем процессор

    jmp display_read_error

read_error db 'R',7, 'e',7, 'a',7, 'd',7, ' ',7, 'e',7, 'r',7, 'r',7, 'o',7, 'r',7

read_err_l dw $-read_error

display_read_error:

    mov  ax, 0B800h

    mov  es, ax

    xor  di, di

    mov  si, read_error

    mov  cx, word [read_err_l]

    rep  movsb

    jmp  $





ends: rb 510-(ends-start)

db 055h, 0aah



    ; чтение успешно, продолжаем иницилизацию

continue_loading:

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:

Код:

    ; открываем адресную линию A20

    in   al, 92h

    or   al, 2

    out  92h, al

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:

Код:

    ; запрет всех прерываний

    cli

    in   al, 70h

    or   al, 80h

    out  70h, al  ; запрет NMI

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:
http://gr8.cih.ms/uploads/idt.png
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 24 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
8 - IRQ0 - системный таймер. будем по тику таймера менять буковку на экране (смотрится прикольно ;))
9 - 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.
10-12,14-23 - IRQ2-4,6-15 забьем обработчиком, который просто будет посылать сигнал End-Of-Interrupt (EOI) на Master и Slave контроллеры прерываний и ничего полезного делать не будет.
13 - обработчик исключения общей защиты #GP. Покажем строчку "** GENERAL PROTECTION FAULT **" на экране

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

Код:

; Interrupt Descriptor Table

IDT:

         dd 0,0 ; 0

         dw syscall_handler, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 1

         dd 0,0 ; 2

         dd 0,0 ; 3

         dd 0,0 ; 4

         dd 0,0 ; 5

         dd 0,0 ; 6

         dd 0,0 ; 7

         dw int8_handler, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 8  (IRQ 0 - системный таймер)

         dw int9_handler, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 9  (IRQ 1 - клавиатура)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 10  (IRQ 2 - ведомый контроллер прерываний)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 11  (IRQ 3 - COM2)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 12  (IRQ 4 - COM1)

         dw exGP_handler, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 13  #GP

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 14  (IRQ 6 - FDD)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 15  (IRQ 7 - LPT1)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 16 (8)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 17 (9)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 18 (10)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 19 (11)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 20 (12)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 21 (13)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 22 (14)

         dw int_EOI, 08h, 1000111000000000b, 0   ; 23 (15)





    IDT_size     equ $-IDT

    IDTR         dw IDT_size-1

                 dd IDT

    REAL_IDTR    dw 3FFh

                 dd 0

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:

Код:

    ; загрузка GDTR

    lgdt fword [GDTR]



    ; загрузка IDTR

    lidt fword [IDTR]

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

Код:

    ; переключение в PM

    mov  eax, cr0

    or   al, 1

    mov  cr0, eax

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:

Код:

    ; загружаем новый селектор в CS

    jmp  00001000b:PROTECTED_ENTRY

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:

Код:

use32

PROTECTED_ENTRY:

    ; мы в PM, инициализируем селекторы 32-битных сегментов

    mov  ax, 00010000b  ; DATA

    mov  ds, ax

    mov  ss, ax

    mov  ax, 00011000b  ; VIDEO

    mov  es, ax

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

Код:

    ; разрешаем аппаратные прерывания и NMI

    in   al, 70h

    and  al, 7Fh

    out  70h, al

    sti

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 <Esc> to clear display" на экране:

Код:

    ; выводим строку

    mov  esi, string

    int 1



...



string   db '  Switched to ProtectedMode. Press <Esc> to clear display', 0

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

Код:

    ; переходим на 3 строчку

    mov  dword [cursor], 160



    ; бесконечное ожидание прерываний ...

    jmp  $

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

Код:

;

; Системный вызов INT 1 - печать строки

;

; входные параметры: DS:ESI указывает на ASCIIZ-строку

;



syscall_handler:

    pushad

  _puts:

    lodsb

    mov  edi, dword [cursor]

    mov  [es:edi*2], al

    inc  dword [cursor]

    test al, al

    jnz  _puts

    popad

    iretd

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.

Код:

;

; Обработчик исключения #GP

;



exGP_handler:

    pop  eax ; код ошибки

    mov  esi, gp

    int  1

    iretd



    

gp db '** GENERAL PROTECTION FAULT **',0

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:

Код:

;

; IRQ 0 обработчик - системный таймер

;



int8_handler:

    inc  byte [es:0] ; увеличим символ в левом верхнем углу экрана

    jmp  int_EOI     ; сбросим заявку на прерывание

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:
http://gr8.cih.ms/uploads/apic1.png
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 (таким образом, при получении сигнала на входе IRQ0 генерируется прерывания 8, IRQ1 - 9 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:

Код:

;

; Пустой обработчик. сбрасывает заявку в контроллере

;



int_EOI:

    ; сброс заявки в контроллере прерываний: посылка End-Of-Interrupt (EOI) ...

    push ax

    mov  al, 20h

    out  020h, al   ; ... в ведущий (Master) контроллер ...

    out  0a0h, al   ; ... и в ведомый (Slave) контроллер.

    pop  ax

    iretd           ; возврат из прерывания

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:

Код:

; Таблица преобразования печатаемых скан-кодов в ASCII

ascii    db 0,'1234567890-+',0,0,'QWERTYUIOP[]',0,0,'ASDFGHJKL;',"'`",0,0,'ZXCVBNM,./',0,'*',0,' ',0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0, '789-456+1230.', 0,0

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 <Esc> (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: