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操作系统实验四_中断控制

发表于

操作系统实验报告

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实验目的

1、PC系统的中断机制和原理

2、理解操作系统内核对异步事件的处理方法

3、掌握中断处理编程的方法

4、掌握内核中断处理代码组织的设计方法

5、了解查询式I/O控制方式的编程方法

实验要求

1、知道PC系统的中断硬件系统的原理

2、掌握x86汇编语言对时钟中断的响应处理编程方法

3、重写和扩展实验三的的内核程序，增加时钟中断的响应处理和键盘中断响应。

4、编写实验报告，描述实验工作的过程和必要的细节，如截屏或录屏，以证实实验工作的真实性

实验环境

  • Windows 10
  • WSL （Windows Subsystem for Linux） [Ubuntu 18.04.2 LTS]：WSL 是以软件的形式运行在 Windows 下的 Linux 子系统，是近些年微软推出来的新工具，可以在 Windows 系统上原生运行 Linux。
  • gcc version 7.5.0：C 语言程序编译器，Ubuntu 自带。
  • ld version 2.3.0: 链接器，Ubuntu自带
  • NASM version 2.13.02：汇编程序编译器，通过sudo apt install nasm安装在 WSL 上。
  • Oracle VM VirtualBox ：轻量开源的虚拟机软件，安装在Windows下。
  • VSCode - Insiders v1.33.0：好用的文本编辑器，有丰富的插件，可以用它来打开WSL中的文件夹，用它自带的终端执行make命令。
  • GNU Make 4.1：安装在 Ubuntu 下，一键编译并连接代码，生成最终的文件。
  • Bochs 2.1.1：安装在Windows下，用于调试代码。

自制工具

​由于我的虚拟机和Bochs都安装在Windows下，所以需要将WSL中生成的文件写入至Windows的磁盘，这可以用我编写的工具 do 来解决，只需要执行

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./do 文件名 写入的扇区

就可以了。

实验内容

概述

​由于上次实验已经写好了操作系统内核，这次只用在里面修改即可。首先学习x86中断系统，明白时钟中断的原理，然后用时间中断实现”风火轮“，用一个其他中断实现用户程序敲击键盘显示’OUCH!OUCH!’的功能。

设置中断入口点

​为了方便地使用中断，可以编写一个中断服务程序，再修改中断号对应的中断向量表。修改中断向量表的操作对不同中断是相似的，只是中断号和中断服务程序的地址不同而已，我们把这部分内容写成一个宏，放置在entry.asm里，如下所示：

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%macro set_ivt 2
;第一个参数表示第几号中断，第二个参数表示中断服务程序的位置
push ax
push es
push bx
push si
push dx

xor ax,ax
mov es,ax
mov ax,%1
mov bx,4
xor dx,dx
mul bx;中断号*4后得到中断向量表中对应的地址
mov si,ax
xor dx,dx
mov ax,%2
mov bx,16;把位置除以16，得到偏移量和段地址
div bx
mov word [es:si],dx;前两个字节放偏移量
mov word [es:si+2],ax;后两个字节放段地址

pop dx
pop si
pop bx
pop es
pop ax
%endmacro

编写时钟中断

​x86系统会自动产生时钟中断，为了实现’’风火轮’的效果，我们可以修改中断向量表中0x08号中断对应的内容，让它指向我们编写的中断服务程序。中断服务程序很简单，只用在内存中放置一个变量表示当前是显示’-‘、’\‘还是’/‘即可。但值得注意的是开始时要关中断，返回前要开中断，且要加上

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int 0x1c
mov al,20h
out 20h,al

​这几行代码，没有这些代码会出现莫名其妙的错误，一直找不到原因。

​写完之后，在内核入口处加上一句：

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set_ivt 8h,_int_8h

​就可以修改中断向量表了。

编写 33号中断

​编写33号中断以实现在屏幕下方显示”OUCH!OUCH!”的功能，然后在用户程序中每次敲击键盘时调用33号中断。判断用户是否敲击键盘，只用调用0x16号中断即可，如下所示：

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int 16h
jz do
int 33

同样，写完之后加上一句：

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set_ivt 33,_int_33

​就可以运行了。

实验过程

​编写一个makefile文件，然后就可以在VSCode自带的终端里输入make完成大量的工作。这次的makefile与上次没有任何区别，不再赘述。

​用bochs运行,可以看到风火轮的效果：
image-20200529153811786.png

image-20200529153848248.png

​进入用户程序，敲击键盘：

image-20200529153920257.png

​可以看到显示了 ‘OUCH!OUCH!’，并且风火轮还在转动。

​提交的文件夹中还附带了一个录屏视频，可以查看。

实验总结

​在完成这次实验过程中遇到的主要困难有：

  1. 编写完0x08号中断后，操作系统运行的时候经常莫名其妙地卡住，无法正常运行。找了半天我也没想明白问题出在哪。于是我只好把BIOS的0x08号中断 “扣” 出来，然后在它上面进行修改，然后就能正常运行了。

  2. 本来是打算在显示 “OUCH!OUCH!” 的时候顺便显示系统的时间的，但BOCHS的时间系统似乎比正常的要快很多，导致完全无法显示正常的时间，而用Virtual Box又无法正常执行，于是只能把那一段代码删掉。

    ​总的来说，这次实验算比较简单了，只需要将原有的操作系统内核稍作修改即可。但又十分重要，毕竟操作系统的很多内容都要靠时钟中断来完成。我对这些内容掌握的还不够扎实，以后还要加强。