X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（14）【多图，手鸡慎入】

兰陵月

接——X86汇编语言-从实模式到保护模式—学习笔记（十三）


从前面的知识我们可以知道，Intel处理器允许256个中断，中断号的范围是0~255，中断代理8259芯片负责提供其中的15个，但中断号并不固定。之所以不固定，是因为当初设计的时候，允许软件根据自己的需要灵活设置中断号，以防止发生冲突。该中断控制器芯片有自己的端口号，可以像访问其他外部设备一样用in和out指令来改变它的状态，包括各引脚的中断号。因此，它又叫可编程中断控制器（PIC）。
如上图，在个人计算机上使用中断代理控制器8259芯片，需要两块。第一块8259芯片的代理输出INT直接送到处理的INTR引脚，这是主片（Master）；第二块8259芯片的INT输出送到第一块的引脚2上（IR2），是从片（Slave）。两块芯片之间形成级联（Cascade）关系。8259的主片引脚0（IR0）接的是系统定时器/计数器芯片；从片的引脚0（IR0）接的是实时时钟芯片RTC。主片IR0优先级最高，IR7优先级最低，从片也是如此，当然还要考虑到级联关系。
在8259芯片内部，有中断屏蔽寄存器（IMR），这是个8位寄存器，对应着该芯片的8个中断输入引脚，对应的位是0还是1，决定了从该引脚来的中断信号是否能够通过8259送往处理器（0表示允许，1表示阻断）。当外部设备通过某个引脚送来一个中断请求信号时，如果它没有被IMR阻断，那么，它可以被送往处理器。
8259芯片是可编程的，主片的端口号是0x20和0x21，从片的端口号是0xa0和0xa1，可以通过这些端口访问8259芯片，设置它的工作方式，包括IMR的内容。当然，中断能否被处理，除了要看8259芯片的脸色外，最终的决定权在处理器手中。在处理器内部，标志寄存器有一个标志位IF，这就是中断标志。当IF为0时，所有从处理器INTR引脚来的中断信号都被忽略掉；当其为1时，处理器可以接受和响应中断。指令cli和sti可以改变IF标志位的值，cli用于清除IF标志位，sti用于置位IF标志位。
实时时钟电路（RTC）和静态存储器（CMOS RAM）都集中在外围设备控制芯片ICH内部。实时时钟是全天候跳动的，因为它由主板上的一个小电池提供能量。除了日期和时间的保存功能外，RTC芯片也可以提供闹钟和周期性的中断功能。该芯片由一个振荡频率为32.768kHz的石英晶体振荡器（晶振）驱动，经分频后，用于对CMOS RAM进行每秒一次的时间刷新。
日期和时间信息保存在CMOS RAM中的，通常有128字节，而日期和时间信息只占了一小部分容量，其他空间则用于保存整机的配置信息，比如各种硬件的类型和工作参数、开机密码和辅助存储设备的启动顺序等。这些参数的修改通常在BIOS SETUP开机程序中进行。如下图所示：

如上图，常规的日期和时间信息占据了CMOS RAM开始部分的10字节，有年、月、日和时、分、秒，报警的时、分、秒用于产生到时间报警中断，如果它们的内容为0xC0~0xFF，则表示不使用报警功能。
CMOS RAM的访问，需要通过两个端口来进行。0x70或者0x74是索引端口，用来指定CMOS RAM内的单元；0x71或者0x75是数据端口，用来读写相应单元里的内容。
端口0x70的最高位（bit 7）是控制NMI中断的开关。当它为0时，允许NMI中断到达处理器，为1时，则阻断所有的NMI信号，其他7个比特，即0~6位，则实际上用于指定CMOS RAM单元的索引号。
RTC芯片的中断信号，通向中断控制器8259从片的第1个中断引脚IR0。在计算机启动期间，BIOS会初始化中断控制器，将主片的中断号设为从0x08开始，将从片的中断号设为从0x70开始。所以，计算机启动后，RTC芯片的中断号默认是0x70。我们可以通过编程改变它，但是在这里并没有必要。


本章的例子是实时时钟的中断例程。要让中断处理程序按照我们的意思来做，当然就要编写的我们自己的程序，并且把实时时钟的中断处理程序的入口点写入中断向量表（IVT）里相应的位置处，什么位置呢？当然实时时钟中断号在中断向量表里对应的位置。具体计算就是段地址=中断号×4+2，偏低地址=中断号×4。
程序继续执行到第132行，如下图：

值，在IVT中以该值为偏移地址的地方存放着该中断的入口点偏移地址。该值+2处存放着就是该中断入口点段地址。
第132行、第133行，将中断号“0x70”给寄存器al，bl为乘数。
第134行，得到积，存放在寄存器AX中。第135行，将存放中断程序入口点偏移地址的IVT偏移地址给寄存器BX。准备进行下一步处理。


第137行，在修改中断向量表时，需要先用cli指令清中断，即将标志寄存器IF清零。否则当表项信息只修改了一部分的时候，如果发生了0x70号中断，则会产生不可预料的问题。


第139行~第145行，修改IVT表项中相应位置的内容，修改完以后，如果发生了0x70号中断，则会在IVT表项中寻找中断处理程序入口点的段地址和偏移地址，用其修改CS和IP的值，再跳转到相应的位置处执行中断处理。
第139行、第145行，因为中间要用到寄存器ES，因此第139行将ES的值压栈，第145行，使用ES结束后再将ES值弹出恢复。
第140行、第141行，IVT是从段地址0x0000开始的，这两句将段地址0x0000给寄存器ES。使ES指向中断向量表所在的段。
第142行，将标号“new_int_0x70”的值作为入口点偏移地址，放入ES段偏移地址为BX的地方。第144行，将段地址放入其后偏移为“BX+2”的地方。
处理器执行完上述指令后，就将中断处理程序的入口地址在IVT表中作了登记。以后当处理器响应0x70中断时，就直接从IVT表中相应偏移地址处取出入口地址，转到中断处理程序执行。

接下来，我们要设置RTC的工作状态，使它能够产生中断信号给8259中断控制器。
RTC到8259的中断线只有一根，而RTC可以产生多种中断。比如闹钟中断、更新结束中断和周期性中断。RTC的计时（更新周期）是独立的，产生中断信号只是它的一个赠品。所以，如果希望它能产生中断信号，需要额外设置。最简单的就是设置更新周期结束中断。每当RTC更新了CMOS RAM中的日期和时间后，将发出此中断。更新周期每秒进行一次，因此该中断也每秒发生一次。

为了设置“更新周期结束中断”，需要对RTC的寄存器B进行写操作，并且在访问RTC期间，最好是阻断NMI。根据前面“端口0x70的最高位（bit 7）是控制NMI中断的开关。当它为0时，允许NMI中断到达处理器，为1时，则阻断所有的NMI信号，其他7个比特，即0~6位，则实际上用于指定CMOS RAM单元的索引号。”的知识，第147行，将RTC寄存器B的索引值给寄存器AL，并在第148行，通过“or al,0x80”（0x80=1000 0000B）将AL的最高位置1，表示阻断所有的NMI信号。第149行，将AL的值写入端口号0x70，指定要访问的CMOS RAM内的单元—RTC寄存器B。
第150行，设定要写入寄存器B的值，第7位：允许更新周期照常发生，值0；第6位，周期性中断允许禁止，值0；第5位闹钟中选允许禁止，值0；第4位，更新结束中断允许，值1；第3位，方波允许位，该位空置，值0；第2位，数据模式：BCD，值0；第1位，小时格式，24小时，值1；第0位，老软件的夏令时支持，该功能不再支持且无用，值0。因此要写入寄存器B的值从第7位到第0位分别是：0、0、0、1、0、0、1、0，即00010010B，即0x12。因此将“0x12”给AL。
第151行，向端口“0x71”写入“0x12”。至此，寄存器B设置完毕。


第153行，将寄存器C的索引值给AL。第154行，向端口“0x70”写入寄存器C的索引值。0x0C=0000 1100B，其最高位为“0”，根据知识点“端口0x70的最高位（bit 7）是控制NMI中断的开关。当它为0时，允许NMI中断到达处理器，为1时，则阻断所有的NMI信号，其他7个比特，即0~6位，则实际上用于指定CMOS RAM单元的索引号”，在向索引端口“0x70”写入“0x0C”的同时，控制NMI中断的开关被置0，允许NMI中断到达处理器。第155行，从寄存器C读一个字节，也就是随便读一下，之后将开始产生中断信号。


根据知识“8259芯片是可编程的，主片的端口号是0x20和0x21，从片的端口号是0xa0和0xa1，可以通过这些端口访问8259芯片，设置它的工作方式，包括IMR的内容。”，我们从8259从片端口“0xa1”读出中断屏蔽寄存器IMR的值。在第158行，用“and”指令将第0位置“0”，“ 0xfe=1111 1110B”。第159行，再将这个值写回8259从片的IMR寄存器，这样RTC的中断可以被8259处理了。


至此，RTC和8259的工作状态、参数都已经设置完毕。第161行，“sti”指令置位标志位IF，开放设备中断。从这个时候开始，中断随时都会发生，也随时会被处理。


显示两个提示信息，工作过程同上，不再重复。


在屏幕上第12行第35列，显示字符“@”。


第174行，指令“hlt”使处理器停止执行指令，并处于停机状态，这将降低处理器的功耗。处于停机状态的处理器可以被外部中断唤醒并恢复执行，而且会继续执行hlt后面的指令。
第175行，not指令将字符“@”的显示属性反转。not是按位取反指令，其格式为not r/m8 ,not r/m16。not指令执行时，会将操作数的每一位反转，原来的0变成1，原来的1变成0。not指令不影响任何标志位。
第173到第176行，形成一个循环，先是停机，接着某个外部中断使处理器恢复执行。一旦处理器的执行点来到hlt指令之后，则立即使它继续处于停机状态。

以上就是用户程序的主程序，停机、执行，接着停机。与此同时，中断也在不断发生着，期间处理器还要抽空执行中断处理程序。

中断处理程序从第27行开始执行，如下图：

第28行~第32行，先保护好现场，将后面用到的寄存器压栈保存。这一点特别重要，中断处理过程必须无痕地执行，你不知道中断会在什么时候发生，也不知道中断发生时，哪一个程序正在执行，所以，必须保证中断返回时，能还原中断前的状态。

指令test是测试的意思，可以用这条指令来测试某个寄存器，或者内存单元里的内容是否带有某个特征。test指令在功能上和and指令是一样的，都是将两个操作数按位进行逻辑“与”，并根据结果设置相应的标志位。但是，test指令执行后，运算结果被丢弃（不改变或破坏两个操作数的内容）。test指令需要两个操作数，其指令格式为：
test r/m8,imm8
test r/m16,imm16
test r/m8,r8
test r/m16,r16
test指令和and指令一样，执行后，0F=CF=0；对ZF、SF和PF的影响视测试结果而定；对AF的影响未定义。比如，我们想测试寄存器AL的第3位是“0”还是“1”，可以这样编写代码：test al,0x08。0x08的二进制形式为00001000，它的第3位是“1”，表明我们关注的是这一位。不管寄存器AL中的内容是什么，只要它的第3位是“0”，这条指令执行后，结果一定是00000000，标志位ZF=1；相反，如果寄存器AL的第3位是“1”，那么结果一定是00001000，ZF=0。于是，根据ZF标志位的情况，就可以判定寄存器AL中的第3位是“0”还是“1”。


第34行~第40行，从数据端口读取CMOS RAM寄存器A的值，根据CMOS RAM寄存器A中UIP位的状态来决定是等待更新周期结束，还是继续往下执行。UIP位为0表示现在访问CMOS RAM中的日期和时间是安全的。第36行，用于把寄存器AL的最高位置1，从而阻断NMI。当然，这是不必要的，当NMI发生时，整个计算机都应当停止工作，也不在乎中断处理过程能否正常执行。第37行，将“10001010B”写入端口“0x70”，指定后面要访问的CMOS RAM寄存器A。第38行，从端口“0x71”取CMOS RAM寄存器A的数据。第39行，测试寄存器AL的第7位是否为1。第40行，如果寄存器AL中第7位为“0”，则说明CMOS RAM寄存器A中UIP位值为“0”，说明更新周期至少在488微秒内不会启动（此时访问CMOS RAM中的时间、日历和闹钟信息是安全的），。“jnz .w0”跳转条件不成立，程序往第42行执行。如果寄存器AL中第7位为“1”，则说明CMOS RAM寄存器A中UIP位值为“1”，说明“正处于更新周期，或者马上就要启动”（此时访问CMOS RAMA中的信息是不安全的，不应该访问），“jnz .w0”跳转条件成立，程序跳转返回至第34行继续等待RTC更新周期结束。

本例程特别说明：正常情况下，访问CMOS RAM中的日期和时间，必须等待RTC更新周期结束，所以上面的判断过程时必需的，而这些代码也适用于正常的访问过程。但是，当前中断处理过程时针对更新周期结束中断的，而当此中断发生时，本身就说明对CMOS RAM的访问是安全的，毕竟留给我们的时间是999毫秒，这段时间非常充裕，处理器能够执行千万条指令。所以，在这种特定的情况下，上面的判断过程是不必要的。当然，加上倒也无所谓。


第42行到第46行，读取CMOS RAM中的0号单元-“秒”的数据，压栈进行保存。第42行，将寄存器AL清零。第43行，将寄存器AL的最高位置1。第44行，向端口“0x70”写入寄存器AL的值，表示要访问第0号单元。第45行，从端口“0x71”取第0号单元—“秒”的数据，放入寄存器AL中。
第48行到第52行，读取CMOS RAM中的2号单元-“分”的数据，压栈进行保存。第54行到第58行，读取CMOS RAM中的4号单元-“时”的数据，压栈进行保存。


第60行~第62行，读一下CMOS RAM中寄存器C，使得所有中断标志位复位（仅指更新周期结束中断，不包括周期性中断和闹钟中断等）。这等于是告诉RTC，中断已经得到处理，可以继续下一次中断。否则的话，RTC看到中断未被处理，将不再产生中断信号。RTC产生中断的原因有多种，可以在程序中通过读寄存器C来判断具体的原因。不过这里不需要，因为除了更新周期结束中断外，其他中断都被关闭了。


第64行、第65行，临时将段寄存器ES指向显示缓冲区。


第67行，通过前面的运行我们可以知道，最后压入栈中的是CMOS RAM中“时”的数据，从栈中弹出“时”的数据给寄存器AX，作为参数。第68行，调用过程“bcd_to_ascii”来将用BCD表示的“小时”转换成ASCII。

过程“bcd_to_ascii”在程序第105行，如下图：

AX中低8位存有“小时”数据。其中“小时”十位在AL中的高4位，个位在AL中的低4位。第108行，将AL的值给AH。第109行，“0x0f”的二进制为“0000 1111B”，执行完“and al,0x0f”后，al中的低四位保留，高4位清零，这样就得到了“小时”数据的个位。第110行，将个位转化为ASCII码的值。
第112行，将寄存器AH的值逻辑右移4位，AH的高4位移到了低4位，而其高4位本身就是“小时”数据的十位。第113行，同样只保留低4位的值（此时低4位经逻辑右移过来之后，本身值为“小时”数据的十位）。第114行，将其转化为ASCII码值。
第116行，过程“bcd_to_ascii”执行完毕之后，程序返回至第69行执行，“小时”数据转化成的ASCII码值在寄存器AX中，AX作为过程调用的结果返回给调用者，其中AH中放置十位，AL中放置个位。

程序返回至第69行执行，如下图：

第69行设置，为了连续在屏幕上显示内容，最好是采用基址寻址来访问显存。这一行用于指定显示的内容位于显存的什么位置。实际上，这里指定的是第12行36列。同以前一样，每个字符在显存中占两个字节，每行80个字符，所以这里使用了表达式12*160+36*2，该表达式的值是在编译阶段计算的。


第71行、第72行，分别将“小时”的两个数位写到显存中，段地址在ES中，偏移地址分别是由寄存器BX和BX+2提供。这里没有写入显示属性，这是因为我们希望采用默认的显示属性（屏幕是黑的，默认的显示属性是0x07，黑底白字）。


第74行、第75行用于在屏幕下一个位置显示一个“：”，这两句可以合成一句，即“mov byte [es:bx+4],”:””这里笔者重复了一下，并在书中作了解释。第76行，指令“not”反转这个“:”的显示属性。


程序第78行~第90行，同上面的过程一样，将得到的分钟和秒的数值转换成ASCII码，然后紧着显示在屏幕上。当然秒的数值显示结束后，就不要在显示“:”了。

在8259芯片内部，有一个中断服务寄存器（ISR），这是一个8位寄存器，每一位都对应着一个中断输入引脚。当当中断处理过程开始时，8259芯片会将相应的位置1，表明正在服务从该引脚来的中断。
一旦响应了中断，8259中断控制器无法知道该中断什么时候才能处理结束。同时，如果不清除相应的位，下次从同一个引脚出现的中断将得不到处理。在这种情况下，需要程序在中断处理过程的结尾，显式地对8259芯片变成来清除该标志位，方法是向8259芯片发送中断结束命令（EOI）。中断结束命令的代码是0x20。需要注意的是如果外部中断是8259主片处理的，那么，EOI命令仅发送给主片即可，端口号是0x20；如果外部中断是由从片处理的恶，就像本章的例子，那么，EOI命令既要发往从片（端口0xa0），也要发往主片。


如上图，发送中断结束命令EOI。第93行，向从片发送EOI。第94行，向主片发送EOI。


中断程序执行完毕，第96行~第100行，恢复现场。第102行，用中断返回指令“iret”返回到中断之前的地方继续执行。
整个程序到此结束。

程序运行情况如下：

可以在Boch中运行，但是秒数跳动特别快，估计是软件的原因。


可以在VMware中正确运行，并且也未发生像Boch模拟器那样的情况。