一、3.外部硬件中断与进入保护模式

外部硬件中断：处理器接两根线NMI传输非屏蔽中断（即无法屏蔽的中断）和INTR传输可屏蔽中断

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IR0到IR7优先级依次降低

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处理器中中断标志位起决定作用，IF为0时屏蔽所有INTR引脚来的信号都被屏蔽

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BIOS创建中断向量表

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实时时钟和CMOS RAM

CMOS RAM中的日期和时间通常使用二进制形式的十进制编码（BCD）来表示

image-20230731222012037

实时时钟RTC电路可以发出的中断信号类型：

  • 周期性中断信号
  • 更新周期结束中断
  • 闹钟中断

周期性中断信号

以固定周期进行中断

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寄存器A指定时基和速率

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寄存器B控制周期性中断是否运行

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更新周期结束中断

更新周期：每隔一秒更新时间、检查数据有效性、检查闹钟、写回更新的数据

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image-20230801074008211

image-20230801074308231

闹钟中断

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实时时钟发出的中断信号的类型判断：

寄存器C只读，读取后自动清零

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程序中修改SS寄存器和修改SP寄存器的指令必须相邻，否则可能会在中间发生中断导致栈错误

安装中断处理过程

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SECTION code align=16 vstart=0           ;定义代码段（16字节对齐） 
new_int_0x70:...iret...
start:mov ax,[stack_segment]mov ss,axmov sp,ss_pointermov ax,[data_segment]mov ds,axmov al,0x70 ; 中断号0x70mov bl,4mul bl ; 中断号乘4得到中断向量表IVT中对应中断的入口地址所在的地址mov bx,axcli ; 关中断，防止中断发生push esmov ax,0x0000 ; IVT所在段的地址mov es,axmov word [es:bx],new_int_0x70 ;写入自定义的中断处理过程的偏移地址mov word [es:bx+2],cs ;写入自定义的中断处理过程的段地址pop es

启用更新周期结束中断

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    mov al,0x0b ; RTC寄存器Bor al,0x80 ;最高位置1，NMI引脚外接一个与门的输出，输入一个是端口0x70最高位的反相，另一个是NMI中断信号，置1可阻断NMI out 0x70,al ; 0x70为索引端口，用于指定CMOS RAM内的单元mov al,0x12 ;设置寄存器B，禁止周期性中断，开放更新结束后中断，BCD码，24小时制 0001_0010out 0x71,al ; 0x71为数据端口，将寄存器B的设置信息输出给寄存器Bmov al,0x0c ; RTC寄存器Cout 0x70,alin al,0x71 ;读RTC寄存器C，复位未决的中断状态in al,0xa1 ;读8259从片的IMR寄存器(中断屏蔽寄存器，0为允许1为屏蔽)and al,0xfe ;清除最低位，此位连接RTC，开放RTC中断out 0xa1,al ;写回此寄存器 sti ;重新开放中断

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中断处理过程：

等待更新周期结束

SECTION code align=16 vstart=0 ;定义代码段（16字节对齐） 
new_int_0x70:push axpush bxpush cxpush dxpush es.w0:                                    mov al,0x0a ; 寄存器Aor al,0x80                          out 0x70,al ;阻断NMI。当然，通常是不必要的in al,0x71 ;读寄存器Atest al,0x80 ;本质是与操作，但是结果不保留，ZF为0表示测试位不是0，测试第7位UIP jnz .w0

更新周期时间段：

image-20230801091932411

读取BCD码的时间：

xor al,al ; 清零al，秒的内容在CMOS RAM中存放的地址为0x00
or al,0x80 ; 阻断NMI
out 0x70,al ; 索引端口
in al,0x71 ;读RTC当前时间(秒，8位)
push axmov al,2
or al,0x80
out 0x70,al
in al,0x71 ;读RTC当前时间(分，8位)
push axmov al,4
or al,0x80
out 0x70,al
in al,0x71 ;读RTC当前时间(时，8位)
push axmov al,0x0c ;寄存器C的索引。最高位为0，开放NMI 
out 0x70,al
in al,0x71 ;读一下RTC的寄存器C，清零寄存器C，否则只发生一次中断，因为已经把闹钟和周期性中断关闭了，所以不考虑

BCD码转ASCII：

bcd_to_ascii:   ;BCD码转ASCII;输入：AL=bcd码，8位;输出：AX=asciimov ah,al ;分拆成两个数字 and al,0x0f ;仅保留低4位 add al,0x30 ;转换成ASCII shr ah,4 ;逻辑右移4位，保留高4位                 add ah,0x30ret

显示并退出中断：

pop ax ; 取出小时的BDC码
call bcd_to_ascii
mov bx,12*160 + 36*2 ;从屏幕上的12行36列开始显示，行号*80*2 + 列号*2 = 显存中的偏移地址mov [es:bx],ah
mov [es:bx+2],al ;显示两位小时数字mov [es:bx+4], ':' ;显示分隔符':'
not byte [es:bx+5] ;反转显示属性 pop ax
call bcd_to_ascii
mov [es:bx+6],ah
mov [es:bx+8],al ;显示两位分钟数字mov [es:bx+10], ':' ;显示分隔符':'
not byte [es:bx+11] ;反转显示属性pop ax
call bcd_to_ascii
mov [es:bx+12],ah
mov [es:bx+14],al ;显示两位小时数字mov al,0x20 ;中断结束命令EOI
out 0xa0,al ;向从片发送 
out 0x20,al ;向主片发送 pop es
pop dx
pop cx
pop bx
pop axiret

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处理器进入低功耗状态：hlt指令，在该指令行停机，但能被外部中断唤醒并继续执行之后的代码

.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] ;反转显示属性 jmp .idle

内部中断：处理器内部中断，处理器直接到中断对应处理过程处执行代码

软中断：代码产生中断

  • int 中断号
  • int3，在调试时将原指令机器码改为0XCC（即int3）从而中断去处理调试相关程序，调试完改行后将0XCC改回原机器码
  • into溢出中断，标志寄存器OF为1时才进入中断处理过程

BIOS中断：

image-20230801114236090

ROM BIOS搜索C0000~E0000这个区域，当有55AA这字则执行对应外设的功能调用例程代码，这个代码初始化设备，并把设备的外部中断号放入中断向量表中

mov cx,msg_end-message ; 获取message的字符长度
mov bx,message.putc:mov ah,0x0e ; 0x0e命令mov al,[bx]int 0x10 ; 0x10中断，ah为0x0e，查bios中断表可知是显示字符（光标前移）功能，AL=字符，BL=前景色(图形模式)inc bx ; 选中下一个字符loop .putc.reps:mov ah,0x00int 0x16 ; 0x16中断，ah为0x00，从键盘读字符功能mov ah,0x0emov bl,0x07int 0x10 ; 显示字符中断jmp .reps

32位处理器的寄存器扩展和扩充

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段寄存器：CS, DS ES, FS, GS, SS，长度还是16位

  • 实模式：(段地址<<4)+偏移地址 最大10FFEF，8086只有20根地址线，只能访问FFFF，80386有32根地址线，可以访问到10FFEF，FFFF~10FFEF这个区域称为高位内存区（HMA）。虽然32位处理器有32根地址线，但是实模式下超出10FFEF的内存是无法访问的
  • 保护模式：在描述符表中登记每个段的各种信息。段寄存器选中一个描述符，处理器取出描述符段基地址，和程序中给出的偏移地址组合，得到完整的内存地址

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在保护模式下，一个段想被访问就必须去登记

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gdt_size         dw 0 ; 一个字
gdt_base         dd 0x00007e00     ;GDT的物理地址 一个双字;计算GDT所在的逻辑段地址 
mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00]        ;低16位，主引导扇区开始是0x7c00，需要加上 
mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02]   ;高16位 
mov bx,16        
div bx ; 右移4位
mov ds,ax ;逻辑段地址，令DS指向该段以进行操作
mov bx,dx ;逻辑偏移地址，段内起始偏移地址

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S=1时

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image-20230801145557487

段界限：低32位0 ~ 15，高32位16 ~ 19

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G位：高双字的第23位，粒度，用于解释段界限的单位，G=0段界限以字节为单位，G=1以4k字节为单位

实际使用的段界限 = 描述符中的段界限 * 0x1000G + 0xFFF * G

P位：高双字的第15位，段存在位，P=10段不存在，访问报错

L位：高双字的第21位，64位代码段标志

D/B位：高双字的第22位，操作尺寸（是代码段时）/栈上部边界（是数据段时），D/B=0该段按16位进行操作，D/B=1该段按32位进行操作

AVL位：高双字的第20位，保留位

安装存储器的段描述符

;DS:BX指向GDT起始地址
;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
mov dword [bx+0x00],0x00
mov dword [bx+0x04],0x00  ;创建#1描述符，保护模式下的代码段描述符
mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff     
mov dword [bx+0x0c],0x00409800

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image-20230801160625233

;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs:gdt_size+0x7c00], 15 ;主引导程序从7c00开始，加上偏移量gdt_size，定位到描述符表的界限，两个描述符，8字节*2-1（总字节数减一）   lgdt [cs:gdt_size+0x7c00] ; 指定gdt_size的地址，取出6字节（2字节描述符表界限，4字节描述符表起始地址）赋给GDTR寄存器

打开A20地址线：为了使用到地址为0x100000以上的内存，开启第21条地址线（A20）

image-20230801171637640

in al, 0x92 ;南桥芯片内的0x92端口 
or al, 0000_0010B ; 第1位置1
out 0x92, al ;打开A20

进入保护模式：设置CR0寄存器的PE位（第0位）为1

cli ;保护模式下中断机制尚未建立，应禁止中断 
mov eax,cr0
or eax,1 ; 最低位PE置1
mov cr0,eax

保护模式下的内存访问：

image-20230801202936673

段选择器内容不再是逻辑段地址，而是称为段选择子

image-20230801203135251

image-20230801203507513

mov cx,00000000000_10_000B ;加载数据段选择子(0x10)
mov ds,cx ; 此时ds的描述符高速缓存器中存放目标段基地址mov byte [0x00],'P'  ; 使用ds的描述符高速缓存器存放的段地址进行内存访问（0xb800）

image-20230801203728349

实模式下：

image-20230801204741190

指令操作尺寸：一段指令的操作数的长度

image-20230802073408760

image-20230802073438301

image-20230802074842949

32位特有内存寻址：

image-20230802080025125

image-20230802080708673

image-20230802080920307

image-20230802080939610

image-20230802082706672

可以看到操作尺寸为16位数据和32位数据时，相同格式的汇编指令的机器指令相同

  • 16位操作尺寸允许8位或16位操作数，以及16位有效地址
  • 32位操作尺寸允许8位或32位操作数，以及32位有效地址
  • 32位处理器支持16位和32位操作尺寸
  • 同一时刻处理器只能按一种操作尺寸工作，这种操作尺寸称为默认操作尺寸

image-20230802083245476

指定默认操作尺寸：bits 16/32

image-20230802090756133

;创建#2描述符，保护模式下的代码段描述符（主引导程序）
mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff ; D位是1，即用32位操作尺寸
mov dword [bx+0x0c],0x00409800 
...;以下进入保护模式... ...
jmp dword 0000_0000_0000_0010_0_00B:flush ;16位的描述符选择子：32位偏移，选择第3个描述符表项（主引导程序）
bits 32 ; 因为在描述符中选择32位操作尺寸，所以之后的代码需要默认尺寸32位来编译，在此之前的代码是按16位编译
flush:...

image-20230802085719860

;在创建描述符表或进行段选择时，都需要对描述符表进行操作，这时对DS赋值有两种方式，传统编译器编译结果不同
mov ds, ax ;16位操作尺寸，编译8E D8;32位操作尺寸，编译66 8E D8
mov ds, eax ;16位操作尺寸，编译66 8E D8;32位操作尺寸，编译8E D8
;在32位操作尺寸下优先选后者
;NASM编译两者结果无论什么操作尺寸，都是8E D8

修改段寄存器时的保护：

  1. 检查选择子的合法性image-20230802112158076
  2. 确认描述符类型——描述符类型是否与段寄存器匹配，P位是否为1image-20230802112405142对于CS和SS的选择器，不允许向其传送为0的选择子

代码段执行时的保护：

  1. 执行的代码未超过段界限image-20230802113326549

数据段：

;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0，段界限为0xfffff
mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB，存储器段描述符 
;这个数据段囊括了整个4G的地址空间，包括代码段，所以虽然代码段无法直接通过代码段的描述符写入，但是可以通过这个数据段写入;创建数据段描述符，实际用做第一个栈段
mov dword [ebx+0x18],0x6c0007ff    ; 基地址0x00006c00，向上扩展，D/B=1
mov dword [ebx+0x1c],0x00409200    ; 界限0x7ff，粒度字节，数据段描述符
;段的扩展方向决定了处理器检查段界限时的检查方向，与栈的推进方向无关
;描述符中的段界限决定了偏移量的变化范围，即栈的容量
;描述符的D/B=1时，使用ESP，反之使用SP
;初始化时将SP/ESP设为段大小，即段界限+1（0x800）

;压栈，高位向低位推进
push dword 0x072e074d ;压入一个双字
; | 07 |  0x07ff
; | 2e |
; | 07 |
; | 4d | <- esp = 0x07fc

向上扩展的数据段，在写入数据之前进行检查：操作数的有效地址（SP/ESP - 压栈值的大小，算的是存入数据的空间） + 操作数的大小（字节）- 1 <= 实际使用的段界限

检查通过后即可写入，写入后SP/ESP指向写入的最后一个栈元素

;出栈
pop dword [0x0b800]
; | 07 |  0x07ff
; | 2e |
; | 07 |
; | 4d | <- esp = 0x07fc

向上扩展的数据段，在弹出数据之前进行检查：操作数的有效地址（SP/ESP） + 操作数的大小（字节）- 1 <= 实际使用的段界限

同样，弹出的数据在存入数据段时也要进行检查：000b8000 + 4 - 1 <= ffff_ffff

内存线性地址回绕特性

image-20230802132448073

向下扩展的段作为栈段：

;创建数据段描述符，实际用作第二个栈段
mov dword [ebx+0x20],0x7c00fffe    ;基地址为0c00007c00，向下扩展，D/B=1
mov dword [ebx+0x24],0x00cf9600    ;段界限为0xffffe，粒度为4KB，数据段描述符 
;初始化使SP/ESP=0

image-20230802132938858

image-20230802133736580

向下扩展的数据段，在写入数据之前进行检查：操作数的有效地址（SP/ESP - 压栈值的大小，算的是存入数据的空间）> 实际使用的段界限

;压栈
;                                |-ffffffff
;                                |--fffffffc <- esp=0-4=fffffffc 负数
;                                |--fffff000 实际使用段界限+1
; 00007c00    | 07 |-------------|-00000000 段基地址
;             | 68 | <- esp

向下扩展的数据段，在弹出数据之前进行检查：操作数的有效地址（SP/ESP）> 实际使用的段界限

xchg al,ah ，交换两操作数内容，可以同时是寄存器，不能同时是内存地址

冒泡排序：

;开始冒泡排序 
mov ecx,pgdt-string-1              ;遍历次数=串长度-1 
@@1:push ecx                           ;32位模式下的loop使用ecx xor bx,bx                          ;32位模式下，偏移量可以是16位，也可以 @@2:                                      ;是后面的32位 mov ax,[string+bx] cmp ah,al                          ;ah中存放的是源字的高字节 jge @@3 xchg al,ah mov [string+bx],ax @@3:inc bx loop @@2 pop ecx loop @@1

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