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《操作系统真象还原》——0.20 BIOS中断、DOS中断、Linux中断的区别

简介: BIOS够底层吧?难道它还要依赖别人?是啊,BIOS也是软件,也要有求于别人。首先硬件厂商为了让自己生产的产品易用,肯定事先写好了一组调用接口,必然是越简单越好,直接给接口函数传一个参数,硬件就能返回一个输出,如果不易用的话,厂商肯定倒闭了。

本节书摘来自异步社区《操作系统真象还原》一书中的第0章,第0.20节,作者:郑钢著,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

0.20 BIOS中断、DOS中断、Linux中断的区别

在计算机系统中,无论是在实模式,还是在保护模式,在任何情况下都会有来自外部或内部的事件发生。如果事件来自于CPU内部就称为异常,即Exception。例如,CPU在计算算法时,发现分母为0,就抛出了除0异常。如果事件来自于外部,也就是该事件由外部设备发出并通知了CPU,这个事件就称为异常。

BIOS和DOS都是存在于实模式下的程序,由它们建立的中断调用都是建立在中断向量表(Interrupt Vector Table,IVT)中的。它们都是通过软中断指令int 中断号来调用的。

中断向量表中的每个中断向量大小是4字节。这4字节描述了一个中断处理例程(程序)的段基址和段内偏移地址。因为中断向量表的长度为1024字节,故该表最多容纳256个中断向量处理程序。计算机启动之初,中断向量表中的中断例程是由BIOS建立的,它从物理内存地址0x0000处初始化并在中断向量表中添加各种处理例程。

BIOS中断调用的主要功能是提供了硬件访问的方法,该方法使对硬件的操作变得简单易行。这句话是否也表明了不通过BIOS调用也是可以访问硬件的?必须是的,否则BIOS中断处理程序又是如何操作硬件呢?操作硬件无非是通过in/out指令来读写外设的端口,BIOS中断程序处理是用来操作硬件的,故该处理程序中一定到处都是in/out指令。

BIOS为什么添加中断处理例程呢?

(1)给自己用,因为BIOS也是一段程序,是程序就很可能要重复性地执行某段代码,它直接将其写成中断函数,直接调用多省心。

(2)给后来的程序用,如加载器或boot loader。它们在调用硬件资源时就不需要自己重写代码了。

BIOS是如何设置中断处理程序的呢?

BIOS也要调用别人的函数例程。

BIOS够底层吧?难道它还要依赖别人?是啊,BIOS也是软件,也要有求于别人。首先硬件厂商为了让自己生产的产品易用,肯定事先写好了一组调用接口,必然是越简单越好,直接给接口函数传一个参数,硬件就能返回一个输出,如果不易用的话,厂商肯定倒闭了。

那这些硬件自己的接口代码在哪里呢?

每个外设,包括显卡、键盘、各种控制器等,都有自己的内存(主板也有自己的内存,BIOS就存放在里面),不过这种内存都是只读存储器ROM。硬件自己的功能调用例程及初始化代码就存放在这ROM中。根据规范,第1个内存单元的内容是0x55,第2个存储单元是0xAA,第3个存储单位是该rom中以512字节为单位的代码长度。从第4个存储单元起就是实际代码了,直到第3个存储单元所示的长度为止。

有问题了,CPU如何访问到外设的ROM呢?

访问外设有两种方式。

(1)内存映射:通过地址总线将外设自己的内存映射到某个内存区域(并不是映射到主板上插的内存条中)。

(2)端口操作:外设都有自己的控制器,控制器上有寄存器,这些寄存器就是所谓的端口,通过in/out指令读写端口来访问硬件的内存。

控制显卡用的便是内存映射+端口操作的方式,这个以后会在操作显卡时介绍。

从内存的物理地址0xA0000开始到0xFFFFF这部分内存中,一部分是专门用来做映射的,如果硬件存在,硬件自己的ROM会被映射到这片内存中的某处,至于如何映射过去的,咱们暂时先不要深入了,这是硬件完成的工作。

如图0-11所示,BIOS在运行期间会扫描0xC0000到0xE0000之间的内存,若在某个区域发现前两个字节是0x55和0xAA时,这意味着该区域对应的rom中有代码存在,再对该区域做累加和检查,若结果与第3个字节的值相符,说明代码无误,就从第4个字节进入。这时开始执行了硬件自带的例程以初始化硬件自身,最后,BIOS填写中断向量表中相关项,使它们指向硬件自带的例程。

screenshot

中断向量表中第0H~1FH项是BIOS中断。

有没有新的疑问?外设的内存是如何被映射的?我也不知道,这是早期硬件工程师们大胆且天才的做法,他们在很久以前就解决了。有知道的同学希望你告诉我,哈哈,在这里,我就先当它是我的公设了。

另外,上面说的是BIOS在填写中断向量表,那该表是谁创建的呢?答案就是CPU原生支持的,不用谁负责创建。之前我曾说过,软件是靠硬件来运行的,软件能实现什么功能,很大程度上取决于硬件提供了哪些支持。软件中只要执行int 中断向量号,CPU便会把向量号当作下标,去中断向量表中定位中断处理程序并执行。
DOS是运行在实模式下的,故其建立的中断调用也建立在中断向量表中,只不过其中断向量号和BIOS的不能冲突。

0x20~0x27是DOS中断。因为DOS在实模式下运行,故其可以调用BIOS中断。

DOS中断只占用0x21这个中断号,也就是DOS只有这一个中断例程。

DOS中断调用中那么多功能是如何实现的?是通过先往ah寄存器中写好子功能号,再执行int 0x21。这时在中断向量表中第0x21个表项,即物理地址0x21*4处中的中断处理程序开始根据寄存器ah中的值来调用相应的子功能。

而Linux内核是在进入保护模式后才建立中断例程的,不过在保护模式下,中断向量表已经不存在了,取而代之的是中断描述符表(Interrupt Descriptor Table,IDT)。该表与中断向量表的区别会在讲解中断时详细介绍。所以在Linux下执行的中断调用,访问的中断例程是在中断描述符表中,已不在中断向量表里了。

Linux的系统调用和DOS中断调用类似,不过Linux是通过int 0x80指令进入一个中断程序后再根据eax寄存器的值来调用不同的子功能函数的。再补充一句:如果在实模式下执行int指令,会自动去访问中断向量表。如果在保护模式下执行int指令,则会自动访问中断描述符表。

以上主要对BIOS中断多介绍了一点,尽管对DOS说得不多,不过有了BIOS中断的表述,相信同学们对DOS中断调用也清楚了,其原理介于BIOS中断调用和Linux中断调用之间。后面在实现系统调用时,全是基于Linux思想的,所以在此对Linux系统调用的介绍点到为止。

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