第6天分割编译与中断处理

2020.3.31

1. 分割源文件（harib03a）

开发至昨天，bootpack.c的长度已经有将近300行了。一个源文件太长可不是一件好事情。 因此，需要将bootpack.c分割成为几部分。
源文件分割的利与弊：
- 优点：
  - 按照处理内容进行分类，如果分得好，将来修改时，可维护性高。
  - 如果Makefile写得好，只需要编译修改过的文件，就可以提高make的速度。
  - 单个源文件都不长。多个小文件对程序员的友好性比一个大文件好得多。
  - 看起来很酷
- 缺点：
  - 源文件数量增加
  - 分类分不好反而增加寻找代码的难度
我们根据功能进行如下分割：
注意，做了如上分割以后，graphic.c如果想用naskfunc.nas定义的函数，那么就需要像bootpack.c一样加上声明。虽然bootpack.c里面有这些的声明，但是在编译graphic.c的时候，编译器并不知道有bootpack.c的存在。
修改Makefile：
- 源文件的编译流程应该是这样的：
  
  (bootpack.c->bootpack.obj的完整过程是：bootpack.c->bootpack.gas->bootpack.nas->bootpack.obj)
- 变成bootpack.bim以后就和原来的流程差不多了。
  （bootpack.bim->boopack.hrb->haribote.sys->haribote.img）
make run没有发生错误。

2. 整理Makefile（harib03b）

修改Makefile以后，Makefile又变得太长了。
graphic.c->graphic.obj、dsctbl.c->dsctbl.obj和bootpack.c->bootpack.的编译过程十分相似。

使用一般规则归纳(Makefile节选)：

%.gas : %.c Makefile$(CC1) -o $*.gas $*.c%.nas : %.gas Makefile$(GAS2NASK) $*.gas $*.nas%.obj : %.nas Makefile$(NASK) $*.nas $*.obj $*.lst

注意：make.exe会先寻找普通生成的规则，如果没有找到，就会尝试使用一般规则。所以，一般规则和普通生成规则有冲突也没问题。普通规则优先级比一般规则高。
Makefile变短了。此时make run没有问题。

3. 整理头文件（harib03c）

源文件行数如下：
- graphic.c 187行
- dsctbl.c 67行
- bootpack.c 81行
- 合计 335行
显然，三个源文件的行数比原先的一个源文件行数280行多了不少。

使用头文件bootpack.h将函数声明归纳起来，这样就可以去除掉重复的部分了。

/* asmhead.nas */
struct BOOTINFO { /* 0x0ff0-0x0fff */char cyls; /* 启动区读硬盘读到何处位置 */char leds; /* 启动时键盘的LED状态 */char vmode; /* 显卡模式为多少位色彩 */char reserve; /*保留位*/short scrnx, scrny; /* 屏幕分辨率 */char *vram;
};
#define ADR_BOOTINFO    0x00000ff0 /*BOOTINFO在内存中的起始地址*//* naskfunc.nas */
void io_hlt(void);
void io_cli(void);
void io_out8(int port, int data);
int io_load_eflags(void);
void io_store_eflags(int eflags);
void load_gdtr(int limit, int addr);
void load_idtr(int limit, int addr);/* graphic.c */
void init_palette(void);
void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb);
void boxfill8(unsigned char *vram, int xsize, unsigned char c, int x0, int y0, int x1, int y1);
void init_screen8(char *vram, int x, int y);
void putfont8(char *vram, int xsize, int x, int y, char c, char *font);
void putfonts8_asc(char *vram, int xsize, int x, int y, char c, unsigned char *s);
void init_mouse_cursor8(char *mouse, char bc);
void putblock8_8(char *vram, int vxsize, int pxsize,int pysize, int px0, int py0, char *buf, int bxsize);
#define COL8_000000     0
#define COL8_FF0000     1
#define COL8_00FF00     2
#define COL8_FFFF00     3
#define COL8_0000FF     4
#define COL8_FF00FF     5
#define COL8_00FFFF     6
#define COL8_FFFFFF     7
#define COL8_C6C6C6     8
#define COL8_840000     9
#define COL8_008400     10
#define COL8_848400     11
#define COL8_000084     12
#define COL8_840084     13
#define COL8_008484     14
#define COL8_848484     15/* dsctbl.c */
struct SEGMENT_DESCRIPTOR {short limit_low, base_low;char base_mid, access_right;char limit_high, base_high;
};
struct GATE_DESCRIPTOR {short offset_low, selector;char dw_count, access_right;short offset_high;
};
void init_gdtidt(void);
void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar);
void set_gatedesc(struct GATE_DESCRIPTOR *gd, int offset, int selector, int ar);
#define ADR_IDT         0x0026f800
#define LIMIT_IDT       0x000007ff
#define ADR_GDT         0x00270000
#define LIMIT_GDT       0x0000ffff
#define ADR_BOTPAK      0x00280000
#define LIMIT_BOTPAK    0x0007ffff
#define AR_DATA32_RW    0x4092
#define AR_CODE32_ER    0x409a

这个头文件中罗列除了函数的定义、常量宏定义、结构体定义、还说明了他们在那个文件中。因此，bootpack.h就像目录一样，查找函数位置、常量位置等十分方便。
在编译graphic.c的时候，我们要让编译器去读这个头文件，做法是在graphic.c的前面加上
```
#include "bootpack.h"
```
编译器在见到这一行，就将这行替换成为指定文件的内容，然后编译。
同理，dsctbl.c和bootpack.c中也要这样做。
小知识点：
- #include "文件名.h"：双引号表示该头文件和源文件在同一个文件夹下。
- #include <文件名.h>"：尖括号表示该头文件位于编译器所提供的文件夹下。
许多地址常量和数据常量都写在该头文件里了，这样以后修它们直接在bootpack.h中修改就行了。

现在源文件的长度：
- bootpack.h 69行
- graphic.c 156行
- dsctbl.c 51行
- bootpack.c 25行
- 合计 301行
缩短了34行。make run一下也没什么问题。

4. 意犹未尽

读到这里，我发现，第5天的存疑四，在我的理解下是正确的。【Bingo！】
这里，有几个小问题需要再次说明：
- 指令LGDT 地址addr：将内存地址addr开始的6个字节读入GDTR寄存器中。
- GDTR的低16位，是段上限，它等于GDT的有效字节数-1。高32位是GDT的开始地址。
- 附上一张第5天的图片，理解load_gdtr起来可能比价容易：

解决存疑1和存疑2

void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar)
{   /*存疑1*/if (limit > 0xfffff) {/*从GDT图可以看出，limit占20位，所以最大是0xfffff。下面的代码因该是越界重置，但是没看懂为什么。*/ar |= 0x8000; /* G_bit = 1 */limit /= 0x1000;}sd->limit_low    = limit & 0xffff; /*取低16位*/sd->base_low     = base & 0xffff; /*取低16位*/sd->base_mid     = (base >> 16) & 0xff; /*先右移16位再取低8位*/sd->access_right = ar & 0xff; /*取低8位*//*存疑2*/sd->limit_high   = ((limit >> 16) & 0x0f) | ((ar >> 8) & 0xf0);sd->base_high    = (base >> 24) & 0xff; /*右移24位，再取8位*/return;
}

段8字节的内容：
- 段的大小
- 段的起始地址
- 段的管理属性
GDT中段的内容：
段上限，表示一个段有多少个字节（也就是段的大小）。段的上限最大是4GB【这里我们已经默认内存的大小是4GB】，也就是一个32位的数值，如果将这个数值直接放进去，那么这个数值和段的起始地址一共占了8字节。这样就把整个段占满了。
因此，段上限只能使用20位（这一点从上图也可以看出）。那么，我们段的大小只能指定到1MB为止。
这里，嘤特尔的大叔们又响了一个方法：他们在段的属性里设了一个标志位，叫做Gbit。如果这个标志位是1的话，段上限的单位解释成为页（page），在电脑的CPU中，1页=4KB，而不解释成字节B。 这样，就能用20位指定4GB的内存了。
void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar)
- sd是GDT在内存中的起始地址。
- limit是无符号32位整数，其0_{19位对应GDT中的0}19位。
- base的0_{31位对应GDT中的0}31位。
- ar的0~15位的格式是：xxxx0000xxxxxxxx``,其中x是0或1.
  - GDT中段属性只有12位，上述的0000无用。
  - ar的高4位是GD00:G代表Gbit,D代表模式，0是16位模式，1是32位模式。
  - 除了运行80286程序，D通常是1.
  - ar的低8位：
    - 00000000（0x00）：未使用的记录表。
    - 10010010（0x92）：系统专用，可读写的段。不可执行。
    - 10011010（0x9a）：系统专用，可执行的段。可读不可写。
    - 11110010（0xf2）：应用程序用，可读写的段。不可执行。
    - 11111010（0xfa）: 应用程序用，可执行的段。可读不可写。
      此时，我们再来看代码：
```
set_segmdesc(gdt + 1, 0xffffffff, 0x00000000, 0x4092);
set_segmdesc(gdt + 2, 0x0007ffff, 0x00280000, 0x409a);
```
      神秘的数字0x4092和0x409a是不是就明了了。
存疑1解答
```
/*存疑1*/
if (limit > 0xfffff) {ar |= 0x8000; /* G_bit = 1 */limit /= 0x1000;
}
```
- 当limit大于20位的时候，limit的单位解释成为页，将limit数值缩小（4KB=4096B=0x1000B）0x1000倍。
- 设此时ar=xxxx0000xxxxxxxx（只看其有含义的0~15位），ar |= 0x8000等价于ar = xxxx0000xxxxxxxx | 100000000000 = 1xxx0000xxxxxxxx。这样ar的高4位GD00中的G就是1了。
存疑2解答
```
sd->limit_high   = ((limit >> 16) & 0x0f) | ((ar >> 8) & 0xf0);
```
- GDT结构体中变量与GDT设定的对应关系
- ar的0_{15位对应着上图的40}55位。 limit的16_{19位对应着上图的48}51位。
- limit_high由Flags和Limit(16:19)组成。那么上述代码也就明了了。

5. 初始化PIC（harib03d）

PIC，programmable interrupt controller，可编程中断控制器。
CPU单独只能处理一个中断信号，这不够用，所以IBM的大叔们在设计电脑的时候，就在主板上增设了几个辅助芯片，现如今，这几个辅助芯片已经集成在一个芯片组里了。
PIC是将8个中断信号（IRQ, interrupt request） 集成1个终端信号的装置。
PIC监视着输入管脚的8个中断信号，只要有一个中断信号进来，就将唯一的输出管脚信号编程ON，并通知CPU。IBM的大叔们通过增加PIC来处理更多的中断信号。他们把中断信号设置成了15个，因此有两个PIC。
主PIC和从PIC：
- 主PIC：master PIC，与CPU直接相连，处理第0号到底7号中断。
- 从PIC：slave PIC，与主PIC相连，处理第8号到底15号中断。
- 关系如下：

PIC详细解读：8259A中断控制器
reference：https://baike.baidu.com/item/8259A中断控制器/3572337

PIC初始化程序（harib03d下的int.c的init_pic函数）:

#include "bootpack.h"void init_pic(void)
/* PIC初始化 */
{io_out8(PIC0_IMR,  0xff  ); /* 禁止所有中断 */io_out8(PIC1_IMR,  0xff  ); /* 禁止所有中断 */io_out8(PIC0_ICW1, 0x11  ); /* 边沿触发模式 */io_out8(PIC0_ICW2, 0x20  ); /* IRQ0-7由INT20-27接收 */io_out8(PIC0_ICW3, 1 << 2); /* PIC1由IRQ2连接 */io_out8(PIC0_ICW4, 0x01  ); /* 无缓冲区模式 */io_out8(PIC1_ICW1, 0x11  ); /* 边沿触发模式 */io_out8(PIC1_ICW2, 0x28  ); /* IRQ8-15由INT28-2f接收 */io_out8(PIC1_ICW3, 2     ); /* PIC1由IRQ2连接 */io_out8(PIC1_ICW4, 0x01  ); /* 无缓冲区模式 */io_out8(PIC0_IMR,  0xfb  ); /* 11111011 PIC1以外全部禁止中断 */io_out8(PIC1_IMR,  0xff  ); /* 11111111 禁止所欲中断 */return;
}

PIC0和PIC1分别代表主PIC和从PIC。PIC内部有很多寄存器，用端口号对彼此进行区别，以决定是写入的哪一个寄存器。 PIC是外部设备，需要使用OUT指令进行操作。

至于为什么这样设置具体的端口号码，上方PIC详细解读：8259A中断控制器有详细解读。

bootpack.h中有关int.c的声明：

/* int.c */
void init_pic(void);
#define PIC0_ICW1       0x0020
#define PIC0_OCW2       0x0020
#define PIC0_IMR        0x0021
#define PIC0_ICW2       0x0021
#define PIC0_ICW3       0x0021
#define PIC0_ICW4       0x0021
#define PIC1_ICW1       0x00a0
#define PIC1_OCW2       0x00a0
#define PIC1_IMR        0x00a1
#define PIC1_ICW2       0x00a1
#define PIC1_ICW3       0x00a1
#define PIC1_ICW4       0x00a1

8259A系列芯片的编程有关设定：

简单介绍PIC的寄存器：
- 他们都是8位寄存器。
- IMR是interrupt mask register的缩写，意思是“中断屏蔽寄存器”。它的8位分别对应8路IRQ信号。如果某1位的值是1，那么对应的IRQ信号就会被屏蔽，PIC就忽视该路的IRQ信号。（这主要是因为，正在对中断设定进行更改时，如果再接受别的中断，那么就会引起混乱。）
- ICW是initial control word的缩写，（虽然是word，但注意，ICW是一个字节的口令）意思是，初始化控制程序。
  - ICW有4个，编号1~4，共有4字节的数据。
  - 它们的初始化在 PIC详细解读：8259A中断控制器 均有详细说明，此处不再赘述。
  - 值得一提的是，ICW1和ICW4基本不变。而ICW3的设定是有关主从连接的设定。对主PIC而言，第几号IRQ与从PIC相连，是用8位来设定的，如果把这8位都设定成1，那么主PIC就能驱动8个从PIC，进而就有64个IRQ。但是，这里我们只使用两个PIC。
- 8259A系列芯片的PIC寄存器：
ICW2：
- ICW2决定了IRQ以哪一号中断通知CPU。
- 中断发生后，如果CPU可以受理这个中断，CPU就会命令PIC发送2个字节的数据。CPU与PIC用IN或者OUT进行数据传送时，有数据信号线连在一起。PIC就是利用这个数据信号线发送数据的。发送过来的数据是0xcd 0x??这2个字节，由于电路设计的原因，这两个字节的数据在CPU看来，与从内存读进来的程序一样。这恰恰就是把数据当做程序来执行的情况。 这里的0xcd就是调用BIOS时使用的INT指令（INT指令：引发中断） 所以，CPU上了PIC的当，按照PIC所希望的中断号执行了INT指令。
INT 0x20_{0x2f接收中断信号IRQ0}15。
make run，正常运行，但画面没什么变化。

6. 中断处理程序的制作（harib03e）

鼠标中断信号是IRQ12，键盘中断信号是IRQ1，那么我们需要分别编写用于INT 0x2c和INT 0x21的中断处理程序（handler），即发生中断时需要调用的程序。

harib03e下的int.c中的inthandler21函数（键盘中断处理程序）：

void inthandler21(int *esp)
/* 来自PS/2键盘的中断 */
{struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_000000, 0, 0, 32 * 8 - 1, 15);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "INT 21 (IRQ-1) : PS/2 keyboard");for (;;) {io_hlt();}
}

这个函数只是显示一条信息，然后保持在待机状态。
这个函数接受了esp指针的值，但是这里还用不到，不必在意。

harib03e下的int.c中的inthandler2c函数（鼠标中断处理程序）：

void inthandler2c(int *esp)
{struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_000000, 0, 0, 32 * 8 - 1, 15);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, "INT 2C (IRQ-12) : PS/2 mouse");for (;;) {/*今天的程序不需要return，到这里待机就OK了*/io_hlt();}
}

和inthandler21函数大同小异。

harib03e下的int.c中的inthandler27函数：
```
void inthandler27(int *esp)
{io_out8(PIC0_OCW2, 0x67);return;
}
```
- 对于一部分机种来言，随着PIC的初始化，会产生一次IRQ7中断，如果不对该中断处理程序执行STI（设置中断标志位），OS就会启动失败。***（第7天会详细讲一下。）***
中断处理完成以后，不能执行return（RET指令），而是必须执行IRETD指令。 因此，需要修改naskfunc.nas.

修改naskfunc.nas(新增代码节选):

    GLOBAL    _asm_inthandler21, _asm_inthandler27, _asm_inthandler2cEXTERN   _inthandler21, _inthandler27, _inthandler2c_asm_inthandler21:PUSH   ESPUSH  DSPUSHADMOV     EAX,ESPPUSH EAXMOV      AX,SSMOV        DS,AXMOV        ES,AXCALL   _inthandler21POP        EAXPOPADPOP     DSPOP       ESIRETD

这是键盘程序，鼠标程序和它类似。

PUSH:将数据压入栈顶
PUSH EAX相当于代码：
```
ADD ESP,-4
MOV [SS:ESP],EAX
```
其中，SS是栈段寄存器，SS:ESP表示一个地址，这个地址永远指向栈顶元素。
POP:将数据弹出栈
PUSH EAX相当于代码：
```
MOV [SS:ESP],EAX
ADD ESP,4
```
先PUSH再POP可以恢复寄存器原先的值。

PUSHAD相当于：

PUSH EAX
PUSH ECX
PUSH EDX
PUSH EBX
PUSH ESP
PUSH EBP
PUSH ESI
PUSH EDI

POPAD相当于按以上相反的顺序，把寄存器们原先的值POP出来：
```
POP EDI
POP ESI
POP EBP
POP ESP
POP EBX
POP EDX
POP ECX
POP EAX
```
那么函数asm_inthandler21只是将寄存器中的值保存到栈中，然后将DS和ES调整到和SS一致，再调用函数inthandler21，返回以后再将所有寄存器的值返回到原来的值，最后再执行IRETD。
只有这样，才能保证原来的函数能够继续进行下去。
关于为什么要设置DS和ES与SS一致，这是C语言的规定。
CALL指令：调用函数的指令。
使用EXTERN声明inthandler21是用来通知nask：inthandler21在别的源文件里，别搞错了。
将asm_inthandler21注册到IDT当中去（dsctbl.c的init_gdtidt函数中添加代码）：
```
set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);
set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32);
set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);
```
- asm_inthandler21注册在idt的0x21号。如果发生中断，CPU就会自动调用asm_inthandler21.
- 2*8表示的是asm_inthandler21属于哪一个段，asm_inthandler21属于第2个段，乘以8是因为低3位有别的意思，这里的低3位必须是0.
- 段号为2的段是：
```
set_segmdesc(gdt + 2, LIMIT_BOTPAK, ADR_BOTPAK, AR_CODE32_ER);
```
  说明这个段正好涵盖了整个bootpack.hrb.
- 最后的AR_INTGATE32将IDT的属性设置为0x008e.这表示是用于中断处理的有效设定。

harib03e下的bootpack.c中的HariMain的补充说明：

#include "bootpack.h"
#include <stdio.h>void HariMain(void)
{struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;char s[40], mcursor[256];int mx, my;init_gdtidt();init_pic();io_sti(); /*执行STI指令*/init_palette();init_screen8(binfo->vram, binfo->scrnx, binfo->scrny);mx = (binfo->scrnx - 16) / 2; my = (binfo->scrny - 28 - 16) / 2;init_mouse_cursor8(mcursor, COL8_008484);putblock8_8(binfo->vram, binfo->scrnx, 16, 16, mx, my, mcursor, 16);sprintf(s, "(%d, %d)", mx, my);putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, s);/*修改PIC的IMR，接受来自键盘和鼠标的中断*/io_out8(PIC0_IMR, 0xf9); /*接受键盘中断*/io_out8(PIC1_IMR, 0xef); /*接受鼠标中断*/for (;;) {io_hlt();}
}

io_sti():执行STI指令，是CLI的逆指令。执行STI后，CPU的中断许可标志位IF变为1，CPU接受来自外部设备的中断。CPU的中断信号只有1根，所以IF只有一个。
这里，还得说明一点：
IRQ0->IRQ7：低位->高位
IRQ8->IRQ15：低位->高位

这样，只要按下键盘上的某个键，或者动一动鼠标，中断信号就会传到CPU，然后CPU停下手中的工作去执行相应的中断处理程序，输出信息。
make run：
按下键盘上的a：
移动鼠标：
（很不幸，没有任何变化）

7. 戒骄戒躁

大致往后面看了一下，大概得到第8天才能实现鼠标的移动。
第6天的东西其实并不算难，现在是2020.4.1 16:50，我却看了2天。
往后大概浏览了一点儿，感觉还有好多东西没有完成。心情顿时灰暗。
这大概就是摸索前进中的“黑暗时刻”吧，前方只能看见一丁点儿的光，眼前却还要经历很长的黑暗。
戒骄戒躁，静下心来，完成当下的任务才是王道。
走得很远，别忘记为了什么而出发。人得学会坚持。
2020.04.01 16:58 愚人节快乐！