一个操作系统的设计与实现——第21章 高级可编程中断控制器

21.1 什么是高级可编程中断控制器

我们已经使用过型号为8259A的可编程中断控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）。在单CPU计算机中，中断的处理相对简单：所有的外设和CPU都连接在PIC上即可。然而，如果计算机中不止一个CPU，情况就会变得复杂起来。以双CPU为例：

• 键盘中断会被每个CPU分别接收一次，这是错误的
• 时钟中断会统一广播给各个CPU，这样做虽然没有错误，但降低了灵活性

高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controller，APIC）用于解决上述问题。顾名思义，APIC是PIC的升级版，其结构如下：

• 既然每个CPU需要独立的接收中断，尤其是时钟中断，那就为每个CPU分别安装一个中断控制器，这些APIC就称为本地APIC（Local APIC，LAPIC）。并且，每个LAPIC中都安装了独立的定时器
• 既然某些外设不能广播到每个CPU上，那就再为外设专门准备一个中断控制器，这个APIC就称为IO APIC
• 任意两个APIC之间都可以通信。也就是说，不仅CPU与外设之间能够使用中断，CPU之间也能互相使用中断

需要注意的是：PIC和APIC在计算机中是并存的，且均与CPU连接。如果要使用APIC，就需要屏蔽PIC的所有信号。IO APIC的所有信号在默认状态下都是屏蔽的。

21.2 APIC内存映射

APIC使用内存映射而非IO端口进行通信，这类似于显卡。具体来说：

• LAPIC的内存映射起始地址为0xfee00000，大小为2M
• IO APIC的内存映射起始地址为0xfec00000，大小为2M
• APIC中的每个寄存器都是32位的

这两个地址均为物理地址，因此，想要在分页模式下使用APIC，就需要为这两个物理地址安装虚拟地址映射。由于需要映射的地址范围均为2M，因此刚好可以使用2M大页模式。此外，CPU要求这些地址映射是禁用缓存的，将各类页表项的第4位置1即可禁用缓存。

综上，在我们的操作系统中，APIC内存映射的实现如下：

• 将0xfec00000映射到0xffff8000fec00000，使用2M大页模式，禁用缓存
• 将0xfee00000映射到0xffff8000fee00000，使用2M大页模式，禁用缓存

21.3 LAPIC定时器

LAPIC定时器可向其对应的CPU发送时钟中断信号，其通过三个内存地址进行设定：

1. 0xfee00320：固定设为0x20000 | 时钟中断向量号。在我们的操作系统中，时钟中断向量号为0x20
2. 0xfee003e0：设定分频器。在我们的操作系统中，固定设为0xb，表示1分频。这里的1表示CPU每经过1个时钟周期，定时器的值就会减1，也就是说，如果将这个1改成比较大的数字，定时器就会变慢，从而能够记录更长的时间
3. 0xfee00380：设定定时器的初始值。在我们的操作系统中，固定设为0xffff。当定时器的值降为0时，就会触发一次时钟中断，然后将定时器重置到初始值。也就是说，定时器的初值越小，时钟中断的触发频率就越高

21.4 LAPIC中断响应信号

与8259A一样，中断处理函数需要向LAPIC发送中断响应信号。这一过程很简单：向0xfee000b0写入0即可。

21.5 64位中断门与IDT

中断门中存放着中断处理函数的地址，因此，在64位模式下，中断门需要拓展，以存放64位的地址。不过，这一拓展是非常简单的，如下图所示：

也就是说，64位中断门只需要在32位中断门的基础上增加8字节即可，其中，前4字节是中断处理函数的高32位，后4字节是0。

64位的IDTR与GDTR一样，也使用2 + 8 == 10字节内存。

21.6 64位中断

64位中断的发生过程与32位基本一致，但有一个很重要的区别：无关乎特权级是否改变，中断时都会依次压栈ss, rsp, rflags, cs, rip；中断返回时都会出栈这五个寄存器。

21.7 打开时钟中断

请看本章代码21/Mbr.s。

第51行，为APIC安装PDPTE，其指向0x91000处的页目录表。

第54~55行，为APIC安装PDE。使用2M大页模式，并禁用缓存。

以上代码中使用的0x101018、0x91fb0、0x91fb8这些地址，均可由二进制计算器计算得到，这里不再赘述。

接下来，请看本章代码21/Int.h。

第3行，声明了intInit函数。

接下来，请看本章代码21/Int.hpp。

第6行，声明了中断处理函数表。该表由汇编语言定义。

第7行，定义了IDT。IDT中一共有0x20 + 0x2 == 0x22个中断门，前0x20个是CPU要求的，后0x2个是我们的操作系统定义的，每个中断门的大小为16字节。

__picInit函数用于屏蔽8259A主片的所有信号。由于从片是接在主片的2号接口上的，故从片也会被屏蔽。

__apicInit函数用于设定LAPIC定时器。

__idtInit函数用于安装IDT与IDTR。

intInit函数是主函数。

接下来，请看本章代码21/Int.s。

第9~52行，定义了0x0 ~ 0x1f号中断的处理函数。

intTimer函数是时钟中断处理函数。

第56~70行，执行"pusha"指令。由于没有64位版本的pusha指令，故只能这样逐个写。

第72~73行，向LAPIC发送中断响应信号。

第75~76行，在每次进入时钟中断时打印一个字符6。

第78~92行，执行"popa"指令。由于没有64位版本的popa指令，故只能这样逐个写。

在时钟中断处理函数中压栈、出栈所有的通用寄存器是为任务切换做准备。64位模式下数据段寄存器已经没有用了，故无需压栈。

第94行，执行iretq指令，从中断返回。注意：这里不能简写为iret，这是因为iret和iretq指令在64位CPU中是并存的，前者用于返回到兼容模式代码段。

第96~130行，定义中断处理函数表。第0x21个中断处理函数保留给后续章节使用。

第132~133行，定义通用中断处理函数使用的格式字符串。

21.8 编译与测试

本章代码21/Makefile增加了Int.s的编译与链接命令。

本章代码21/Kernel.c测试了时钟中断。