可编程中断控制器PIC
x86体系架构包含一个可编程的中断控制器PIC（Programmable Interrupt Controller），用于收集外部中断并将其发送给CPU。外部设备不能直接和CPU链接^ ^_
intel体系结构的PIC通常包含两种：8259，以及最新的APIC（Advanced PIC）。
8259芯片（重点）
简介
8259芯片由IBM公司开发，用于接受外部设备（如键盘）的中断请求并将其发送给CPU。
起初，只有一个8259芯片，能向CPU提供8种中断请求。后来，通过将另一块8259芯片与其相连，则能提供总共15种中断请求。
其结构如下图所示：
PIC与CPU交互
PIC作为可编程的硬件，我们可以通过CPU执行相关指令来对其进行操作。
每个8259芯片都有一个命令端口和数据端口，具体如下：
| 端口名称 | IO端口号 |
|---|---|
| Master 命令 | 0x20 |
| Master 数据 | 0x21 |
| Slave 命令 | 0xA0 |
| Slave 数据 | 0xA1 |
APIC(简介)
Advanced PIC，常见于现代多核心CPU。、其实从P5开始就已经有APIC了，虽然当时并为内嵌进CPU中。相对8259，APIC有很多优势，将来有时间再做详细介绍。
为什么不详细介绍？
我们现在常见的PC，以及模拟器其实都是有APIC的。之所以不详细介绍APIC是因为市面上很多将操作系统的教材都只是在介绍8286，对APIC设计不多，考虑到学习曲线，故只做简单介绍。
如果我有时间完成支持多核的操作系统，我会再详细地介绍APIC。
架构简介
APIC包含了LAPIC(Local APIC)、和I/O APIC。每个CPU都内嵌一个LAPIC，
关闭APIC
我们的项目中选择使用遗留的8259，因此我们选择关闭APIC。
从Intel开发手册卷三可知：关闭APIC有两种方式。这里只简单介绍一种：通过MSR来关闭apic。
MSR寄存器的第11位表示了APIC是否开启。
因为通过这么久的联系，自己对汇编也算相对收悉了，所以部分代码采用汇编编写。
static void disable_local_apic(){
uint32_t eax;
uint32_t edx;
cpuid(1, &eax, &edx);
if (edx & CPUID_FLAG_APIC ){
printf("Deteced APIC, will disable it.\n");
if (edx & CPUID_FLAG_MSR){
_shutdown_apic();
printf("Disabled\n");
} else {
printf("No MSR detected!\n");
}
}
}
代码会首先检查是否有APIC和MSR寄存器，然后调用_shutdown_apic将apic关闭。
.global _shutdown_apic
.type _shutdown_apic, @function
_shutdown_apic:
movl $0x1b, %ecx
rdmsr
andl $0xFFFFF7FF, %eax
wrmsr
ret
其中MSR的地址为0x1b。
问题
我在阅读资料的时候，产生了一些小问题，怕将来产生同样的困惑故稍作记录。
- 如何检测一个8259芯片是否有slave芯片？
虽然不知道如何检测是否有slave芯片，但是除了特别特别早期的CPU，8259芯片都有slave芯片。
- 如何检测是否有8259芯片？
虽然不知道如何检测，但是常见的IBM-PC兼容机都有8259芯片。
- APIC能与8259共存与一个芯片吗？
可以并且使用APIC之前需要禁用8259。
接下来的内容，我们将进行如下假设：我们的硬件满足通用的IBM-PC兼容机中断
PIC（8259A）相关编程实现
重置PIC映射关系
启动时，BIOS程序默认将8259的中断映射为如下表所示关系：
| 芯片 | 中断号（in 8259） | CPU接收到的中断号 |
|---|---|---|
| Master | 0~7 | 8~15 |
| Slave | 8~15 | 112~119 |
从上表中可以看出，由于IBM的设计失误，8259Master芯片的默认映射的中断号8~15与intel保留的中断号相冲突。因此，我们必须对其进行重新配置。
具体的硬件细节不做过多介绍，可以参看代码(后期会开源)。下述代码将IRQ015映射到3247。
/* reinitialize the PIC controllers, giving them specified vector offsets
rather than 8h and 70h, as configured by default */
#define ICW1_ICW4 0x01 /* ICW4 (not) needed */
#define ICW1_SINGLE 0x02 /* Single (cascade) mode */
#define ICW1_INTERVAL4 0x04 /* Call address interval 4 (8) */
#define ICW1_LEVEL 0x08 /* Level triggered (edge) mode */
#define ICW1_INIT 0x10 /* Initialization - required! */
#define ICW4_8086 0x01 /* 8086/88 (MCS-80/85) mode */
#define ICW4_AUTO 0x02 /* Auto (normal) EOI */
#define ICW4_BUF_SLAVE 0x08 /* Buffered mode/slave */
#define ICW4_BUF_MASTER 0x0C /* Buffered mode/master */
#define ICW4_SFNM 0x10 /* Special fully nested (not) */
static void remap_pic(){
//reinitialize pic
outb(PIC1_COMMAND, ICW1_INIT+ICW1_ICW4); //starts the initialization sequence (in cascade mode)
io_wait(); //on older machines its necessary to give the PIC some time to react to commands as they might not be processed quickly
outb(PIC2_COMMAND, ICW1_INIT+ICW1_ICW4);
io_wait();
outb(PIC1_DATA, ICW2_PIC1); //ICW2: Master PIC vector offset
io_wait();
outb(PIC2_DATA, ICW2_PIC2); //ICW2: Slave PIC vector offset
io_wait();
outb(PIC1_DATA, 4); //ICW3: tell Master PIC that there is a slave PIC at IRQ2 (0000 0100)
io_wait();
outb(PIC2_DATA, 2); //ICW3: tell Slave PIC its cascade identity (0000 0010)
io_wait();
outb(PIC1_DATA, ICW4_8086);
io_wait();
outb(PIC2_DATA, ICW4_8086);
io_wait();
//Enable all
outb(PIC1_DATA, 0);
outb(PIC2_DATA, 0);
}
添加相应的中断处理程序
和之前处理IDT一样，我们同样采用两段式的中断处理程序。但是和通用的中断处理程序不一样的是：必须通知PIC，我们已经完成了对其中断的处理，它可以进行下一轮的中断请求。
汇编层“接收”中断
提供如下汇编代码作为参考：注意！在我的实现中，我用err_code来保存PIC的IRQ号，而int_num保存的是IRQ映射的中断号
.macro IRQ irq_num,idt_num
.global irq\irq_num
.type irq\irq_num, @function
irq\irq_num:
cli
pushl $\irq_num
pushl $\idt_num
jmp irq_comman_stub
.endm
IRQ 0, 32
IRQ 1, 33
...
IRQ 15, 47
上诉代码中的irq_comman_stub和上一篇博客内的isr_comman_stub除了调用irq_handler之外，其它一致。
处理中断，通知PIC
我们的操作系统，在接收到IRQ之后，应该通知PIC它可以处理下一个中断。需要注意的是，如果IRQ由slave芯片发出，那么我们必须对两块芯片都进行通知：
#define PIC_EOI 0x20
//Send EOI to PIC
if (regs->err_code >= 8){ //Also send EOI to slave chip
outb(PIC2_COMMAND,PIC_EOI);
}
outb(PIC1_COMMAND,PIC_EOI);
其它逻辑
参考源码或者上一篇介绍IDT的文章。
PIC示例：接收时钟中断
PIT，Programmable Interval Timer，是连接在8259的第0号输入针脚（即IRQ0）的定时器。可用于以指定的时间间隔想CPU产生中断。
因为没有什么复杂的知识，在此不做过多介绍。可以直接参看以下代码：
void init_timer(uint32_t frequency){
//Regiser timer callback
register_i_handler(IRQ0, timer_callback);
// The value we send to the PIT is the value to divide it's input clock
// (1193180 Hz) by, to get our required frequency. Important to note is
// that the divisor must be small enough to fit into 16-bits.
uint32_t divisor = 1193180 / frequency;
// Send command type
outb(0x43, 0x36);
//Divisor has to be sent byte-wise, so split here into upper/lower bytes.
uint8_t l = (uint8_t)(divisor & 0xFF);
uint8_t h = (uint8_t)((divisor >> 8) & 0xff);
// Send the frequency divisor.
outb(0x40, l);
outb(0x40, h);
}
static uint32_t count = 0;
void timer_callback(registers_t *regs){
printf("Tick: %d\n", count++);
}
VWware 运行截图
从现在开始，我将在VWware Fusion上运行玩具系统。
可能会遇到的问题：接收不到8259中断？
确定启用了中断（
sti），并且能通过软中断的方式确认IDT能正常工作。
参考资料
- http://jamesmolloy.co.uk/tutorial_html/5.-IRQs%20and%20the%20PIT.html
- http://wiki.osdev.org/PIC
- http://wiki.osdev.org/APIC
- http://wiki.osdev.org/IOAPIC
- http://wiki.osdev.org/Interrupts#General_IBM-PC_Compatible_Interrupt_Information
- http://wiki.osdev.org/Inline_Assembly
- http://wiki.osdev.org/Inline_Assembly/Examples
- http://wiki.osdev.org/Model_Specific_Registers
- http://wiki.osdev.org/CPUID
- http://forum.osdev.org/viewtopic.php?t=11998
- http://www.jaist.ac.jp/iscenter-new/mpc/altix/altixdata/opt/intel/vtune/doc/users_guide/mergedProjects/analyzer_ec/mergedProjects/reference_olh/mergedProjects/instructions/instruct32_hh/vc273.htm
- http://ethv.net/workshops/osdev/notes/notes-3
- http://www.intel.cn/content/www/cn/zh/processors/architectures-software-developer-manuals.html