DOS中断/ BIOS中断

3.2 操作系统如何进行权限限制

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前言

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、中断简介

        执行完当前指令后，检测到从CPU内部或者外部发送过来的中断信息，并且可以立即对所接受到的信息进行处理；

1.1 中断信息

        中断信息根据来自CPU内部和外部分为：内中断和外中断

1.2 异常（内中断）

        （1）终止：断电等

        （2）故障：缺页、除法错误、溢出等

        （3）自陷：调用int指令引发中断

          例：BIOS中以中断处理程序的形式提供了微机中基本I/O设备的控制程序，称为'BIOS中断'，应用程序可以用'INT n'指令调用这些程序。 

1.3 外中断

        外部中断是实时地处理外部事件的一种内部机制。当某种外部事件发生时，中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理；中断处理完毕后．又返回被中断的程序处，继续执行下去。

        例：鼠标、键盘引起的中断；

二、中断服务程序

        通过执行事先编好的某个特定程序，用来处理中断信息的程序。

2.1 BIOS中断

        BIOS中，以中断处理程序的形式提供了计算机中基本I/O设备的控制程序，称为'BIOS中断'，应用程序可以用'INT n'指令调用这些程序。

例：'int 0x13h' BIOS提供给程序控制磁盘IO资源； 

2.2 DOS中断

        程序运行的主要软件环境是操作系统。

        操作系统为程序运行提供基本的服务，如，程序的装入、结束，内存的分配，文件管理等。以DOS操作系统为例，它也以中断处理程序的形式提供这些服务，称为'DOS中断'， 应用程序也用'INT n'指令调用这些服务。

        也可称为：操作系统提供系统调用（接口）来供上层应用来和操作系统交互，进而控制系统资源。

例：如计算机应用程序用 “ int 0x80h” 或者 “ int 0x21h”，通过操作系统提供的系统调用来操作计算机资源；

类型号	中断处理程序功能	类型号	中断处理程序功能
0	除数为0中断	1	单步中断
2	NMI中断	3	断点中断
4	溢出中断	5	打印屏幕
6	保留	7	保留
8	定时中断（ 中断）	9	键盘中断（ 中断）
A	保留（ 中断）	B	串行口COM2（ 中断）
C	串行口COM1（ 中断）	D	硬盘中断（ 中断）
E	软盘中断（ 中断）	F	打印机中断（ 中断）
10	CRT显示驱动程序	11	设备检测
12	存储器容量检测	13	磁盘I/O驱动程序
14	RS-232 I/O驱动程序	15	磁带机I/O处理
16	键盘I/O驱动程序	17	打印机驱动程序
18	ROM BASIC	19	系统引导
1A	BIOS日期、时钟中断	1B	BIOS提供的Ctrl_Break处理
1C	定时器时标（54.9ms）	1D	CRT初始化参数表
1E	磁盘参数	1F	图形字符集
20	程序结束	21	DOS系统功能调用
22	结束地址	23	DOS的Ctrl_Break处理
24	严重错误处理	25	磁盘顺序读
26	磁盘顺序写	27	程序结束且驻留（TSR）
28～2E	为DOS保留	2F	DOS内部使用
30～3F	DOS保留	40～7F	未用
80～85	BASIC保留	86～F0	BASIC使用
F0～FF	未用	/	/

三、系统调用

        通过执行事先编好的某个特定程序，用来处理中断信息的程序。

3.1 操作系统为什么要提供系统调用？

        为防止用户程序随意对操作系统内核区域的访问与操作，操作系统进行权限控制；

3.2 操作系统如何进行权限限制

        操作系统将内存区域分为了用户态和内核态，由于CS:IP是当前的指令，所以使用CS的最低两位来表示: 0是内核态，3是用户态。
        每次访问时，目的指令的DPL >= 当前指令的CPL时才能访问，内核段的DPL都是为0（在初始化阶段DPL就都置成了0） 这样内核态可以访问任何数据，用户态不能访问内核数据。通过DPL和CPL就实现了用户态无法直接访问内核态的内容

DPL是目标内存段的特权级； CPL是当前内存段的特权级

 3.3 如何访问内核函数

        操作系统提供了中断指令int 0x80（DOS系统调用）来主动进入内核，这是用户程序发起的调用访问内核代码的唯一方式；

• 用户程序中包含一段包含int指令的代码，通常是由库函数通过内联汇编插入
• 操作系统根据编号（选择对应的系统调用函数）执行相应的代码

调用系统函数时会通过内联汇编代码插入int 0x80的中断指令，(不仅会插入中断指令，还会将系统调用编号设置给 %eax 寄存器）

核心：内核接收到int 0x80中断后，需要查询IDT表来取出中断处理函数地址，此处不同与其他操作系统区域的代码，int 0x80的idt表中的DPL被设置成了3，所以能从用户态能直接访问int 0x80的中断指令的（唯一入口），然后将CPL修改为0（访管指令），后续就可以正常访问内核代码。
 

 图为 IDT表结构

void sched_init(void)
{set_system_gate(0x80, &system_call)}
在linux/include/asm/system.h中
#define set_system_gate(n, addr) \
_set_gate(&idt[n],15,3,addr); //idt是中断向量表基址 
#define _set_gate(gate_addr, type, dpl, addr)\ 
__asm__(“movw %%dx,%%ax\n\t” “movw %0,%%dx\n\t”\ 
“movl %%eax,%1\n\t” “movl %%edx,%2”:\ 
:”i”((short)(0x8000+(dpl<<13)+type<<8))),“o”(*(( \ 
char*)(gate_addr))),”o”(*(4+(char*)(gate_addr))),\
“d”((char*)(addr),”a”(0x00080000))

注：这是一段在系统初始化阶段执行的代码，主要工作是用来设置0x80的中断处理IDT表项，设置相应的&system_call入口函数的地址。并且注意到这里面会将0x80的IDT表项的DPL设置为3，这样CPL=3用户态的程序就能进入，跳入IDT表之后，段选择符是8，将段和偏移设置为新的pc，cs=8，ip=&system_call，这个cs=8 还要再找gdt表，就是从内核0位开始，此时CPl已经变成了0。也就完成了特权级的转化。再下一步，在system_call中会根据%eax中跳转到相应的处理函数执行，这样就完成了一个系统函数的调用过程

四、系统调用流程

        Linux的系统调用通过int 80h实现，用系统调用号来区分入口函数。 操作系统实现系统调用的基本过程是：

 4.1 应用程序调用库函数（API）；

        （1）应用程序如何执行？

        通过执行代码序列，配合用户栈完成函数调用和返回（调用函数时将PC地址压栈，当调用结束时，通过弹栈实现返回），实现顺序执行和跳转；

        注：代码数据段、用户栈

        （2）系统函数在哪里？如何执行？

        由于保护系统函数，通过权限集完成；导致用户程序无法执行系统函数；

        但是为了用户程序能够执行操作系统提供的功能，OS将部分功能程序通过系统调用的形式交由用户程序执行；（syscall）

        通过调用int指令，来执行操作系统或者BIOS提供的函数处理；（中断、异常、函数调用）

        但是为了用户程序方便使用，C语言等通过提供库函数，将系统调用函数所需要的的参数等封装，提供给用户程序更简单的函数；

     (2) API将系统调用号存入EAX，然后通过中断调用使系统进入内核态；

 4.2 库函数（API）；

        （1）通过封装思想，提供给用户程序更简单的函数调用

        （2）内部将使用函数调用，将系统调用需要的参数传入；

        比如：系统调用号；

 4.3 系统调用；

        首先，需要明白操作系统也是一个软件，只是操作系统直接操作硬件资源，是一个系统软件；

       操作系统通过int指令，主动进行中断处理；但是用户态无法进入操作系统，所以操作系统提供

     (3) 内核中的中断处理函数根据系统调用号，调用对应的内核函数（系统调用）；

     (4) 系统调用完成相应功能，将返回值存入EAX，返回到中断处理函数；

     (5) 中断处理函数返回到API中；

     (6) API将EAX返回给应用程序。

五、中断和异常的区别 系统调用

 5.1 中断步骤

        1. 关中断（关中断在内核态）

        2. 保存断点（将PC指针压栈）

        3. 中断服务程序寻址（根据中断类型号）

        4. 保存现场环境（PSW和通用寄存器等）

        置屏蔽字

        5. 开中断

        6. 中断服务

        7. 关中断

        8. 恢复现场环境（PSW和通用寄存器等）

        恢复屏蔽字

        9. 开中断

        10. 中断返回（将PC指针弹栈）

        （1-10 都在内核态执行）

 5.2 异常步骤

        例1：系统调用

        1. 调用库函数（将PC指针压栈（函数调用，不同于保存断点），间接调用系统函数，传递系统调用号）

        （1 为用户态）

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        2. 通过Trap指令，用户态进入内核

        3. 保存断点（将用户栈指针、段基址寄存器和偏移地址 压入内核栈）

        4. 系统调用程序寻址（根据系统调用号）

        5. 保存现场环境 （将PSW、通用寄存器等依次压栈 ---- 用什么压什么）

         6. 系统服务

         7. 恢复现场环境（通用寄存器、PSW等依次退栈）

         8. 中断返回（将段基址寄存器和偏移地址、用户栈指针依次退栈）

        （2-8 为核心态）

5.3 中断和异常的区别

    5.3.1 运行时态不一样

        中断是被动运行，而异常是主动运行；

        中断：需要在执行周期结束后检测，可能被屏蔽或者被关中断（这里被关中断其实是在中断处理过程中的关中断，正常指令执行是在用户态，无法关中断）；

        异常：用户程序运行在用户态，此时应当处于开中断模式，当CPU检测到后立即处理，不存在中断无法响应的情况；

    5.3.2 运行步骤基本一致

          异常和中断运行步骤应当是完全一直，但由于异常是主动执行，所以有些差别；

          课本上（尤其计算机组成原理）关于中断处理过程的描述并不全；因为详细过程会牵扯到软件层面（操作系统）；所以自从中断响应（中断隐指令）开始，都是从内核态的角度出发，未涉及用户态，以及用户态到核心态的转换；

  5.3.3 系统调用过程中是否可以被中断？

        目前推测出：不可以被中断，但是可以阻塞，主动让出CPU；

  例：当执行读文件操作时，当系统函数执行完部分操作后，设置相应操作参数后，主动阻塞让出CPU，系统调用和中断处理程序一样，都会关中断，但是系统调用很多会设计IO指令，自动阻塞，让出CPU；

完成系统调用或中断处理，返回到用户态前为什么会产生一次调度时机？

首先，完成系统调用和中断处理时，此时还未恢复用户程序现场环境；

其次，此时处于指令周期的执行周期末期，如果发生切换中断，是允许发生中断；

最后，而且这样的设计也利于节约资源，此时节省了用户态进入内核态的花销；