第10章 中断和动态时钟显示

第10章 中断和动态时钟显示

从本章开始，按照书籍的划分，第10章开始就进入保护模式（Protected Mode）部分了，感觉从这里开始难度突然就增加了。

书中介绍了为什么有中断（Interrupt）的设计，中断的几种方式：外部硬件中断、内部中断和软中断。通过中断做了一个会走的时钟和屏幕上输入字符的程序。

我自己理解中断的一些作用：

  • 为了更好的利用处理器的性能。
  • 协同快速和慢速设备一起工作。
  • 重要程序和一般程序的优先级处理。

外部硬件中断

外部硬件中断是通过两个信号线引入处理器内部的，这两根线的名字就叫 NMI（Non Maskable Interrupt） 和 INTR（(Interrupt Request)） 。

image

两条信号线的区别：

  • 从 INTR 输入的中断信号叫作可屏蔽中断，不紧急的中断信号走这条线。
  • 从 NMI 引脚来的中断信号称为非屏蔽中断，必须进行处理。

非屏蔽中断

每种类型的中断都被统一编号，这称为中断类型号、中断向量或者中断号。实模式下，NMI被赋予了统一的中断号2。

可屏蔽中断

可屏蔽中断需要通过代理来接收外部设备发出的中断信号。

早使用的中断代理就是8259芯片，它就是通常所说的中断控制器。

INTEL处理器允许256个中断，中断号的范围是0～255，8259负责提供其中的15个，但中断号并不固定。它又叫可编程中断控制器(Programmable Interrupt Controller, PIC)。

image

8259有主片和从片（图片来源书籍）

8259芯片的一些知识，涉及后面编程用：

  • 主片的端口号是0x20和0x21；
  • 从片的端口号是0xa0和0xa1；

中断标志（Interrupt Flag）：处理器内部，标志寄存器有一个标志位IF。

  • IF = 0，忽略INTR中断信号；
  • IF = 1，可以接受和响应中断。

image

IF标志位可以通过 cli 和 sti 改变。

  • cli（Clear Interrupt Flag）：IF = 0
  • sti（Set Interrupt Flag）：IF = 1

实模式下的中断向量表

中断向量表(Interrupt VectorTable, IVT)：在实模式下，处理器要求将它们的入口点集中存放到内存中从物理地址0x00000开始到0x003ff结束，共1KB的空间内，这就是所谓的中断向量表。

中断向量表表项格式：每个中断在中断向量表中占2个字（4字节），分别是中断处理程序的偏移地址和逻辑段地址。

image

图片来源书籍

处理中断的步骤：

  1. 保护断点的现场。

    a. 将标志寄存器FLAGS压栈；
    b. 清除它的IF位和TF位；
    c. 将当前的代码段寄存器CS和指令指针寄存器IP压栈。

  2. 执行中断处理程序。

    a. 中断号乘以4（每个中断在中断向量表中占4字节）；
    b. 就得到了该中断入口点在中断向量表中的偏移地址；
    c. 从表中依次取出中断程序的偏移地址和段地址，并分别传送到IP和CS。

  3. 返回到断点接着执行。

    a. 使用中断返回指令iret，处理器依次从栈中弹出（恢复）IP、CS和FLAGS的原始内容，转到中断处接着执行。

NMI中断号：NMI发生时，处理器不会从外部获得中断号，它自动生成中断号码2。

中断向量表建立：中断向量表的建立和初始化工作是由BIOS在计算机启动时负责完成的，我们可以更改为自己编写的中断程序。

实时时钟、CMOS RAM和BCD编码

实时时钟(Real Time Clock, RTC)：负责计算时间。

CMOS RAM：静态存储器，存储RTC计算的时间。

书中有提供了表格说明了CMOS中的时间信息，只是没有提供范围，网上另外找到相关的范围信息，可供参考。

image

CMOS中的时间信息（来源：[osdev](https://wiki.osdev.org/CMOS)）

CMOS RAM访问：需要通过两个端口进行。

  • 0x70或者0x74是索引端口，用来指定CMOS RAM内的单元
  • 0x71或者0x75是数据端口，用来读写相应单元里的内容。

例如读取今天是星期几：

mov al,0x06 ;设置从0x06读取数据，这里存储的是星期几的信息
out 0x70,al ;通过索引端口写入0x06
in al,0x71  ;通过数据端口读取数值保存到al

BCD编码（Binary Coded Decimal）：CMOS RAM中保存的日期和时间通常是以二进制编码的十进制数(BCD)。

简单说就是每4位二进制编码表示十进制的一个数位，参考下图：

image

和十六进制很像，就是每个数位最多表示到9就可以了。

实时时钟RTC的中断信号

实时时钟RTC电路可以产生三种中断信号：

  • 周期性中断(Periodic Interrupt, PF)
  • 更新周期结束中断(Update-ended Interrupt, UI)
  • 闹钟中断(Alarm Interrupt, AI)。

周期性中断：每隔一段时间重复发生一次。速度是可以调节的，最慢500ms，最快30.517μs。

更新周期结束中断：隔一秒，实时时钟电路将更新CMOS RAM里面的时间和日期，在每个更新周期结束时，如果允许的话，实时时钟电路可以发出一个中断信号，表示本次更新周期已经结束，这就叫更新周期结束中断。

闹钟中断：当实时时钟到达指定的闹点时，如果允许的话，将产生闹钟中断信号。

代码清单10-1

该章的代码示例是用来展示一个会走的时钟：
image

初始化8259、RTC和中断向量表

设置栈段期间禁止中断：一开始的代码和上章类似，初始化栈段和数据段，打印一些信息。只是这章提到了一点，就是设置栈段的时候，因为涉及到SS和SP两个寄存器的更改，在这之间是是禁止中断的。
image

修改中断向量表：在计算机启动期间，BIOS会初始化中断控制器，将主片的中断号设为从0x08开始，将从片的中断号设为从0x70开始。所以，计算机启动后，RTC芯片的中断号默认是0x70。

更改RCT状态：通过修改RCT寄存器B和C，允许更新周期照常发生，禁止周期性中断，禁止闹钟功能，允许更新周期结束中断，使用24小时制，日期和时间采用BCD编码。

修改8259芯片，允许RTC中断：修改中断屏蔽寄存器IMR的位0为0，表示允许RTC中断。

image

这一块的代码并不难理解，就是根据硬件的规定读写数据即可。

使处理器进入低功耗状态

.idle:
    hlt                        ;使CPU进入低功耗状态，直到用中断唤醒
    not byte [12*160 + 33*2+1] ;反转 @ 字符显示属性 
    jmp .idle

hlt指令：使CPU进入低功耗状态，直到用中断唤醒。

not指令：会将操作数的每一位反转，原来的0变成1，原来的1变成0。

not r/m8
not r/m16

例如：

mov al,0x1f   ; 0001_1111
not al        ; AL的内容为 1110_0000, 十六进制0xe0

这里主要是将 @ 字符的显示属性进行反转，作者在这里主要是想做一个动画效果。

image

自己写了例子，可以单独运行，有需要的可以自己运行看看效果。

mov ax,0xB800
mov es,ax

mov di,0 

mov byte [es:di],'1' ;默认是黑底白字。 
inc di
not byte [es:di]    ; 反转显示属性，白底黑字、闪缩、高亮

jmp $
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

实时时钟中断的处理过程

实时时钟中断的处理过程就是 new_int_0x70 这个过程了。

检测UIP位（Update In Progress）：一开始要检测一下 UIP 位。

  • UIP为0，则表示现在访问CMOS RAM中的日期和时间是安全的。
  • UIP为1，则表示正处于更新周期，或者马上要启动。

image

这里用到了test指令：用于测试某个寄存器，或者内存单元里的内容是否带有某个特征。

test r/m8, imm8
test r/m16, imm16
test r/m8, r8
test r/m16, r16

例子：

test al,0x04 ;测试al的位3是否为1
             ;如(al)=xxxx_x0xx，则标志位ZF=1
             ;如(al)=xxxx_x1xx，则标志位ZF=0

一开始被这个test和jnz命令弄的有点混乱，列个表格梳理一下就清楚了：

image

读取秒、分、时：按照偏移地址读取即可。读取后的数据进行压栈处理，后面再一起统一显示。我增加了一些代码注释，更容易理解。

xor al,al        ;al清0，偏移地址0x00表示秒：0~59
or al,0x80       ;阻断NMI。
out 0x70,al      ;写入索引端口
in al,0x71       ;读RTC当前时间(秒)
push ax          ;压栈

mov al,2         ;偏移地址0x02表示分钟：0~59
or al,0x80
out 0x70,al
in al,0x71       ;读RTC当前时间(分)
push ax          ;压栈       

mov al,4         ;偏移地址0x04表示时：0~23
or al,0x80
out 0x70,al
in al,0x71        ;读RTC当前时间(时)
push ax           ;压栈

复位RTC中断标志：根据寄存器C的特性，读一下这个寄存器就可以了，表示中断得到处理了，否则RTC将不再产生中断信号。

显示时间信息：思路也容易理解，就是依次从栈顶弹出时、分、秒然后进行显示。

代码我加了一些注释，方便理解。

pop ax                  ;弹出栈顶，栈顶存储的是：时       
call bcd_to_ascii
mov bx,12*160 + 36*2    ;从屏幕上的12行36列开始显示

mov [es:bx],ah
mov [es:bx+2],al        ;显示两位小时数字

mov al,':'
mov [es:bx+4],al         ;显示分隔符':'
not byte [es:bx+5]       ;反转显示属性 

pop ax                   ;弹出栈顶，栈顶存储的是：分         
call bcd_to_ascii
mov [es:bx+6],ah
mov [es:bx+8],al         ;显示两位分钟数字

mov al,':'
mov [es:bx+10],al        ;显示分隔符':'
not byte [es:bx+11]      ;反转显示属性

pop ax                   ;弹出栈顶，栈顶存储的是：秒
call bcd_to_ascii
mov [es:bx+12],ah
mov [es:bx+14],al        ;显示两位小时数字

这里封装了一个bcd_to_ascii过程，也容易理解，就是每4位转一个ascii码。具体思路就是：

  • 借助ah转高4位。
  • al转低4位。

中间还有一个反转冒号“:”的显示属性操作，主要是为了看这个中断处理过程的周期效果，每秒执行1次。

发送中断结束命令（End Of Interrupt, EOI）：将8259芯片内中断服务寄存器(Interrupt Service Register, ISR)的每位清0，表示可以接受新的中断。
中断结束命令的代码是0x20。主片和从片都要发送，这容易理解。

从栈中恢复数据到寄存器：这个容易理解，基本每个过程都有。

iret返回：中断要用这个指令返回，表示Interrupt Return。

代码清单10-1的编译和运行

image

  • @符号一直在闪烁。
  • 中间显示时钟，每秒走一次。
  • 时钟之间的冒号1秒闪烁一次，频率和时钟一致的。

内部中断

内部中断是在处理器内部本身发生的，比如

  • 除以0，中断类型号为0 ；
  • 非法指令，中断类型好位6。

尝试写了一个触发除法异常的例子，加强理解一下。

思路：

  • 声明中断0的处理方法，就是在屏幕上打印一个0。
  • 重写中断向量表0号中断的处理方法。
  • 通过除以0触发0号中断观察运行效果。
jmp near start

new_int_0x00:               ;中断0的处理方法。
    push ax
    push bx
    push es

    mov ax,0xb800           ;在屏幕上打印一个0
    mov es,ax
    mov bx,0
    mov byte [es:bx],'0'

    pop es
    pop bx
    pop ax

    iret

start: 
    ;重新中断向量表0号中断
    mov ax,0x0000
    mov es,ax
    mov bx,0x00
    mov word [es:bx],new_int_0x00+0x7c00      ;偏移地址。
    mov word [es:bx+2],cs              ;段地址

    ;除以0触发处理器内部中断0
    mov ax,10           
    mov bx,0
    div bx

jmp $
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

软中断

软中断：在编写程序的时候，我们可以随时用指令来产生中断，这种类型的中断叫作软中断。

软中断的指令包括以下几种：

int3        ; 断点中断指令
int imm8    ; 
into
  • int3是断点中断指令，机器指令码为0xCC。
  • int指令的机器码为2字节，第一字节是操作码0xCD，第2字节给出了中断号。
int 0x00            ;机器码为 CD 00 引发 0 号中断
int 0x15            ;机器码为 CD 15 引发 0x15 号中断
int 0x16            ;机器码为 CD 16 引发 0x16 号中断
  • into是溢出中断指令，机器码为0xCE，也是单字节指令。当处理器执行这条指令时，如果标志寄存器的OF位是1，那么，将产生4号中断。

BIOS中断

BIOS中断：又称BIOS功能调用，主要是为了方便地使用最基本的硬件访问功能。

以下指令用于从键盘读取一个按键：

mov ah,0x00    ;从键盘读取字符
int 0x16       ;键盘服务，返回时，字符代码在寄存器AL中

BIOS中断什么时候安装：在BIOS执行期间安装的，当主引导程序开始执行时，就可以在程序中使用了。

BIOS中断怎么安装：

  • BIOS可能会为一些简单的外围设备提供初始化代码和功能调用代码，并填写中断向量表，
  • 有一些BIOS中断是由外部设备接口自己建立的。

BIOS中断手册：可以查看底部参考资料。

代码清单10-2

该代码用来演示BIOS中断，功能就是通过BIOS中断，可以屏幕上进行输入。
image

从键盘读字符并显示

向屏幕上写字符使用的是BIOS中断，具体说就是中断0x10的0x0e号功能，该功能用于在屏幕上的光标位置处写一个字符，并推进光标位置。

    mov cx,msg_end-message
    mov bx,message

.putc:               ;显示字符
    mov ah,0x0e      ;功能号0x0e：显示字符，光标前移。
    mov al,[bx]      ;参数：bx指向的字符
    int 0x10         ;0x10号中断：显示功能
    inc bx           ;显示下一个字符
    loop .putc

从键盘读取字符再显示在屏幕上，代码我加了一些注释：

.reps:
    mov ah,0x00   ;0x00功能号：读取字符
    int 0x16      ;0x16号中断：键盘功能
                ; 返回：AL=字符码(ASCII码) AH=扫描码
    mov ah,0x0e   ;功能号0x0e：显示字符，光标前移。               
    mov bl,0x07   ; 参数：AL=字符、BL=前景色(图形模式)、BH＝页码
    int 0x10      ;0x10号中断：显示功能
    
    jmp .reps

代码清单10-2的编译和运行

image

可以在屏幕上输入字符。

参考资料

  • CMOS：https://wiki.osdev.org/CMOS
  • RTC：https://wiki.osdev.org/RTC
  • Interrupts：https://wiki.osdev.org/Interrupts
  • 微机原理——8086中断类型以及中断向量表、中断响应、中断返回_8086 int-CSDN博客
  • BIOS中断表(整理更新中2013-10-23)_int13h 256色-CSDN博客

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