OS 开发备忘

显示（VGA TEXT MODE）

要在 VGA 文本模式下将字符打印到屏幕上，必须将其写入 VGA 硬件的文本缓冲区。
VGA 文本缓冲区是一个二维数组，通常有 25 行 80 列，可直接渲染到屏幕上。
每个数组条目通过以下格式描述一个屏幕字符：

Bit(s)	Value
0-7	ASCII 字符，8bit
8-11	前景色，4bit
12-14	背景色，3bit
15	闪烁，1bit

如何设计（伪代码）：

 1#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
 2#[repr(u8)]
 3pub enum Color {
 4    Black = 0,
 5    Blue = 1,
 6    Green = 2,
 7    // 蓝绿
 8    Cyan = 3,
 9    Red = 4,
10    // 洋红
11    Magenta = 5,
12    Brown = 6,
13    LightGray = 7,
14    DarkGray = 8,
15    ...
16}
17
18#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
19#[repr(transparent)]
20/// 表示颜色代码
21struct ColorCode(u8);
22impl ColorCode {
23    fn new(foreground: Color, background: Color) -> ColorCode {
24        ColorCode((background as u8) << 4 | (foreground as u8))
25    }
26}
27
28#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
29#[repr(C)]
30/// 表示写入 buffer 中的字符，由字符和颜色构成
31struct ScreenChar {
32    // 第一字节
33    ascii_character: u8,
34    // 第二字节
35    color_code: ColorCode,
36}
37
38/// vga text buffer 的数组大小
39const BUFFER_HEIGHT: usize = 25;
40const BUFFER_WIDTH: usize = 80;
41
42#[repr(transparent)]
43struct Buffer {
44    chars: [[Volatile<ScreenChar>; BUFFER_WIDTH]; BUFFER_HEIGHT],
45}

CPU 异常

IDT Interrupt Descriptor Table

为了捕捉和处理异常，我们必须建立一个所谓的中断描述符表（IDT）。
在该表中，我们可以为每个 CPU 异常指定一个处理函数（handler function）。
硬件会直接使用该表，因此我们需要遵循预定义的格式。
每个条目必须具有以下 16 字节结构（一个u16需要2字节，下面的表格共有16字节）：
| 类型 | 名称 | 描述 | |—–|————————–|————————-| | u16 | Function Pointer [0:15] | handler function 指针低位. | | u16 | GDT selector | GDT（见下文）代码片段的选择器. | | u16 | Options | (见下文) | | u16 | Function Pointer [16:31] | handler function 指针中位. | | u32 | Function Pointer [32:63] | handler function 指针其余位. | | u32 | 保留 | |

Options（16bit）遵从如下格式：

位	名称	描述
0-2	Interrupt Stack Table Index	0: Don’t switch stacks, 1-7: Switch to the n-th stack in the Interrupt Stack Table when this handler is called.
3-7	保留
8	0: Interrupt Gate, 1: Trap Gate	0 代表不中断
9-11	必须是1
12	必须是0
13‑14	Descriptor Privilege Level (DPL)	调用此函数需要的最低权限等级.
15	Present

CPU异常详见此处。

CPU 异常处理的大致步骤

将一些寄存器推入堆栈，包括指令指针和 RFLAGS 寄存器。(我们稍后将使用这些值）。
从中断描述符表（IDT）中读取相应的条目。例如，当发生页面故障时，CPU 会读取第 14 个条目。
检查条目是否存在，如果不存在，则引发双重故障(double fault)。
如果条目是中断门（未设置第 40 位，也就是 Options 表第 8 位），则禁用硬件中断。
将指定的 GDT 选择器载入 CS（代码段）。
跳转到指定的处理函数。

如何设计（直接使用现有的 crate）：

x86_64 IDT

断点异常 (breakpoint exception)

当用户设置断点时，调试器会用 int3 指令覆盖相应的指令，这样 CPU 在运行到该行时就会抛出断点异常。
当用户想继续运行程序时，调试器会再次用原来的指令替换 int3 指令，然后继续运行程序。

使用 x86-interrupt 实现的一个断点异常处理函数示例：

 1use crate::println;
 2use x86_64::structures::idt::{InterruptDescriptorTable, InterruptStackFrame};
 3
 4use lazy_static::lazy_static;
 5
 6lazy_static! {
 7    static ref IDT: InterruptDescriptorTable = {
 8        let mut idt = InterruptDescriptorTable::new();
 9        idt.breakpoint.set_handler_fn(breakpoint_handler);
10        idt
11    };
12}
13
14pub fn init_idt() {
15    IDT.load();
16}
17
18extern "x86-interrupt" fn breakpoint_handler(stack_frame: InterruptStackFrame) {
19    println!("EXCEPTION: BREAKPOINT\n{:#?}", stack_frame);
20}
21
22#[test_case]
23fn test_breakpoint_exception() {
24    // 触发一次断点异常
25    x86_64::instructions::interrupts::int3();
26}

双重异常（double fault）

双重故障是 CPU 无法调用异常处理程序时出现的一种特殊异常。

例如，当页面故障被触发，但中断描述符表（IDT）中没有注册页面故障处理程序时，就会出现这种情况。

因此，它有点类似于有异常的编程语言中的 catch-all 块，如 C++ 中的 catch(…) 或 Java 或 C# 中的 catch(Exception e)。

双重故障的行为与普通异常类似。我们可以在 IDT 中为它定义一个普通的处理函数。

提供双重故障处理程序非常重要，因为如果双重故障未得到处理，就会发生致命的三重故障。三重故障无法被捕获，大多数硬件都会做出系统复位的反应。

硬件中断(Hardware Interrupts)

中断提供了一种从硬件设备通知 CPU 的方法。

因此，与其让内核定期检查键盘是否键入新字符（这一过程称为轮询），不如让键盘在每次按键时通知内核。

这样做效率更高，因为内核只需在发生事情时采取行动。由于内核可以立即做出反应，而不是在下一次轮询时才做出反应，因此反应时间也更快。

将所有硬件设备直接连接到 CPU 是不可能的。相反，一个独立的中断控制器会汇总来自所有设备的中断，然后通知 CPU：

1                                    ____________             _____
2               Timer ------------> |            |           |     |
3               Keyboard ---------> | Interrupt  |---------> | CPU |
4               Other Hardware ---> | Controller |           |_____|
5               Etc. -------------> |____________|

8259 可编程中断控制器 (programmable interrupt controller (PIC))

英特尔 8259 是 1976 年推出的可编程中断控制器 (PIC)。它早已被较新的 APIC 所取代，但出于向后兼容的考虑，其接口在当前系统中仍受支持。

8259 有八条中断线路和几条与 CPU 通信的线路。以前的典型系统配置有两个 8259 PIC 实例，一个主 PIC，一个辅助 PIC，分别与主 PIC 的一条中断线相连：

1                       ____________                              ____________
21. Real Time Clock --> |            |   1. Timer -------------> |            |
32. ACPI -------------> |            |   2. Keyboard-----------> |            |      _____
43. Available --------> | Secondary  |   ----------------------> | Primary    |     |     |
54. Available --------> | Interrupt  |   4. Serial Port 2 -----> | Interrupt  |---> | CPU |
65. Mouse ------------> | Controller |   5. Serial Port 1 -----> | Controller |     |_____|
76. Co-Processor -----> |            |   6. Parallel Port 2/3 -> |            |
87. Primary ATA ------> |            |   7. Floppy disk -------> |            |
98. Secondary ATA ----> |____________|   8. Parallel Port 1----> |____________|