はじめに

前回のチュートリアルで、私たちはシステムの基本的な設計をカバーしました。そう、ここまではかなり基本的で簡単だったでしょう？

いつになったらシステムレベルのコードに戻るのだろう、と思っているかもしれません。さて....*お帰りなさい:)

このチュートリアルでは、非常に重要な概念を扱います。エラー処理エラー処理には、単に問題を処理するだけでなく、問題を捕捉することも含まれます。例外 処理には 割り込みが必要なので、割り込み処理も扱います。

割り込みはアーキテクチャに依存します。このため、私たちは、1337という巨大な、しかし（現時点では）非常に空のハードウェア抽象化レイヤーを通して割り込みを管理するためのインタフェースを開発し、私たち自身のトラップゲートをインストールするためにカーネルとインタフェースをとる予定です。これはプロセッサ例外エラーをキャッチし、現在そして永久にトリプルフォルトを防ぐために使われるとともに、完全にハードウェア独立であることができます。

面白そうでしょ？では、ここからが本題です。

• エラーハンドリング
• 例外処理
• IRs、IRQs、ISRs
• ゲートトラップ、割り込み、タスク
• IDTとIVT
• IDTRプロセッサレジスタ
• LIDTおよびSIDT命令
• FLIHとSLIH
• 割り込みの仕組み、スタック、エラーコード
• カーネルパニックエラー画面の開発、すなわちBSoD

...いろいろありますね、では始めましょう。

エラー、エラー、エラー

読者の多くは、すでにTriple Faultsで経験したことがあると思います。アプリケーション・プログラミングでは、ハードウェアを直接操作することはありません。そのため、エラーになるような問題はあまりありません。しかし、カーネルの世界では少し違います。トリプルフォールトは、命令やデータのエラーによって引き起こされます。もしプロセッサが解決できない問題があれば、悪化する前にシステムを再起動します。

OSの開発において、トリプルフォールトが発生し、エラーハンドリングを行わないというのは、非常にまずいことです。エラー処理の重要性を知ることは、これらの問題を解決し、システムが最終的にリリースされるまで安定であることを保証するために重要です。

例外処理

例外が発生すると、実行の流れが変わり、サブルーチン（例外ハンドラ）が実行される。これにより、サブルーチンは何らかの方法でエラー状態を処理することができる。通常、ハンドラが呼ばれる前に現在の状態を保存しておく。これにより、可能であれば、ハンドラは後で実行を継続することができる。

例外はハードウェアから設計されていること、すなわちハードウェアメカニズムであることを忘れないでください。このことは、ハードウェア割り込みと、割り込み処理の基本が関連していることに似ています。

このため、例外処理をハードウェアから理解するためには、割り込みを見る必要があります。次にそれを見てみましょう。

割り込みの処理

割り込み

難しいことではありません。割り込みは、ゼロ除算のような問題を捕捉するための手段です。プロセッサが現在実行中のコードに問題を発見した場合、その問題を修正するために実行する代替コードをプロセッサに提供します。

他の割り込みは、ルーチンとしてソフトウェアをサービスする方法を提供するために使用されるかもしれません。これらの割り込みは、システム内の任意のソフトウェアから呼び出すことができます。これは、リング3アプリケーションにリング0レベルのルーチンを実行させる方法を提供するシステムAPIによく使われます。

割り込みは、特に非同期で状態を変える可能性のあるハードウェアから情報を受け取る方法として、多くの用途があります。

割り込みの種類

ハードウェア割り込み

このチュートリアルでは、ハードウェア特有の割り込み処理については説明しません。x86 アーキテクチャでは、ハードウェア割り込みは 8259A PIC (Programmable Interrupt Controller) のプログラムによって処理されます。ハードウェア割り込み処理の詳細については、8259A PICチュートリアルを参照してください。

スプリアス割り込み

割り込み線への電気的干渉や、ハードウェアの不具合によって発生するハードウェア割り込みです。このような割り込みは発生させないようにしましょう。

ソフトウェア割込み

ソフトウェア割り込みは、ソフトウェアで実装され、トリガされる割り込みです。通常、プロセッサの命令セットには、ソフトウェア割り込みを処理するための命令が含まれています。x86アーキテクチャの場合、これらは通常INT immとINT 3であり、IRETとIRETD命令も使用します。

INT immとINT 3命令は割り込みを発生させるために使用され、IRETクラスの命令は割り込みルーチン（IR）から復帰するために使用されます。

例えば、ここではソフトウェア命令で割り込みを発生させます。

int     3              ; generates software interrupt 3

ご存知のように、ソフトウェア割り込みはリアルモードでも利用可能でした。しかし、プロテクトモードへジャンプした途端、IVT（Interrupt Vector Table）が無効になってしまいました。このため、割り込みは使えません。その代わり、自作する必要があります。

このチュートリアルでは、ソフトウェア割込み処理について説明します。

割込みルーチン(IR)

プロセッサがINTのような割り込み命令を実行すると、割り込みベクタテーブル（IVT）内のその位置にある割り込みルーチン（IR）を実行します。

つまり、私たちが定義したルーチンが実行されるだけです。難しいことではありませんね。この特別なルーチンは、AXレジスタの値に基づいて、通常実行すべきインタラプトファンクションを決定します。これにより、1つの割り込みコールで複数の関数を定義することができます。例えば、DOSのINT21h関数0x4c00のようなものです。

覚えておいてください。割り込みの実行は、作成した割り込みルーチンを実行するだけです。例えば、INT 2という命令を実行すると、IVTのインデックス2のIRが実行されます。かっこいいでしょう？

IRは一般にInterrupt Requests (IRQs)とも呼ばれます。しかし、ISAバス内ではIRの命名規則がまだ使われていますので、両方の名前を理解することが重要です。

インタラプトリクエスト(IRQ)

8259 PICを1個搭載したシステムでは、IRQラインが8本あり、IR0 IR7とラベル付けされています。2つの8259 PICを持つシステムでは、IR0 IR15というラベルの付いた16本のIRQがあります。システムのISAバス上では、これらのラインはIRQ0 IRQ15とラベル付けされています。

新しいintelベースのシステムは、コントローラあたり255のIRQを可能にするAPIC (Advanced Programmable Interrupt Controller)デバイスを統合しています。

IRQの詳細については、8259A PICチュートリアルまたはAPICチュートリアルのいずれかを参照してください。

これが意味するところは、8259A PICはプロセッサのIRラインをアクティブにすることによって、ハードウェアデバイスを通してソフトウェア割り込みコールを生成し、プロセッサが正しい割り込みハンドラを実行するよう信号を送ることができるということです。これにより、ハードウェアデバイスの要求をソフトウェアで処理することができます。 これについては、8259A PICチュートリアルを参照してください...これを理解することは非常に重要です。

割込みサービスルーチン(ISR)

インタラプトハンドラ

ISRには2つのタイプがあります。FLIHと SLIHです。

ファーストレベルインタラプトハンドラ（FLIH）

デバイスドライバやカーネルの下半分の部分と考えられています。これらの割り込みハンドラはプラットフォーム固有で、通常ハードウェアの要求を処理し、割り込みルーチン（IR）や割り込み要求（IRQ）と同様に実行されます。実行時間は短いです。主な役割は、割り込みの処理、または割り込みが発生したときにのみ利用可能なプラットフォーム固有の情報の記録です（下位レベルで実行されているため）。

セカンドレベル割り込みハンドラ(SLIH)

この割り込みハンドラはFLIHより長寿命です。この点で、タスクやプロセスに似ています。SLIHは通常、カーネルプログラムまたはFLIHによって実行および管理されます。

ネストされた割込みハンドラ

割込みハンドラが実行され、割込みフラグ（IF）が設定されると、現在の割込みの間にも割込みを実行することができます。これをネスト型割込みと呼びます。

リアルモードでの割り込み

IVTマップ

• Byte 0: Offset Low Address of the Interrupt Routine (IR)
• Byte 1: Offset High Address of the IR
• Byte 2: Segment Low Address of the IR
• Byte 3: Segment High Address of the IR

では、IVTについて見ていきましょう。最初の数個の割り込みは予約されており、そのままです。

ハードではありません。これらの割り込みは、それぞれIVT内のベースアドレスに配置されています。

プロテクトモードでの割り込み

...そして、それはすべてInterrupt Descriptor Tableから始まります。

インタラプトディスクリプタテーブル(IDT)

リアルモード

プロテクトモード

IDTは8バイトのディスクリプタを256個連続してメモリに格納した配列で、IVT内の割込みベクタをインデックスとしています。次に、これらのディスクリプタ、ディスクリプタの種類、IDTの詳細について説明します。

インタラプトディスクリプタ構造

• Bits 0...15:
• Interrupt / Trap Gate: Offset address Bits 0-15 of IR
• Task Gate:
Not used.
• Bits 16...31:
• Interrupt / Trap Gate: Segment Selector (Useually 0x10)
• Task Gate: TSS Selector
• Bits 31...35: Not used
• Bits 36...38:
• Interrupt / Trap Gate: Reserved. Must be 0.
• Task Gate: Not used.
• Bits 39...41:
• Interrupt Gate: Of the format 0D110, where D determins size
• 01110 - 32 bit descriptor
• 00110 - 16 bit descriptor
• Task Gate: Must be 00101
• Trap Gate: Of the format 0D111, where D determins size
• 01111 - 32 bit descriptor
• 00111 - 16 bit descriptor
• Bits 42...44: Descriptor Privedlge Level (DPL)
• 00: Ring 0
• 01: Ring 1
• 10: Ring 2
• 11: Ring 3
• Bit 45: Segment is present (1: Present, 0:Not present)
• Bits 46...62:
• Interrupt / Trap Gate: Bits 16...31 of IR address
• Task Gate: Not used

それだけですか？そうです、これで全部です。）

あとは、GDTと同じように、IDTを埋めて、インストールするだけです。IDTはGDTよりずっとシンプルなので、さらに簡単です :) 上のリストが完全な記述形式です。ここでは、割り込みゲートを開発することだけを考え、それだけに焦点を当てます。

割り込みディスクリプタ。例

まず、割込みディスクリプタの例を見てみましょう。これはアセンブリで表示されるので、よりよく全体を見ることができます。

idt_descriptor:
   .m_baseLow     	dw   0 
   .m_selector      	dw   0x8
   .m_reserved     	db   0 
   .m_flags      	db   010001110b
   .m_baseHi      	dw   0

上の表とどのような関係があるのか、各ビットを分解して見てみましょう。

00000000 00000000 00000000 00001000 00000000 10001110 00000000 00000000

最初の2バイトは、上のコードで示したm_baseLowメンバーです。上の表から、これはディスクリプタの最初の16ビットであることがわかります。これは割り込みゲートなので、IRのベースアドレスの0-15ビットに相当します。つまり、これが私たちのフィールドであれば、IRはアドレス0に位置することになります（IRの位置は様々なので、通常はそうではありません。しかし、この例ではうまくいきます。）

次の2バイトは、m_selectorフィールドです。これはディスクリプタの16〜31バイト目です。このテーブルを見ると、これがセグメントセレクタを表していることがわかります。割り込みハンドラにはコードが含まれているので、コードセレクタのいずれかを使用する必要があります。これは GDT 内のオフセット 0x8 で定義されており、これがセグメントセレクタです。

次の数ビットは使用されません。31-35ビットは使用されず、36-38ビットは割り込みゲート用に0でなければなりません。 このため、31-38ビットは0であると安全に言うことができます。

次のバイトは、面白いことが起こるところです。文字どおり、1ビットずつ分解してみましょう。

10001110

次の2ビット（上の00）は、ディスクリプタのバイト42-45で、プライバシーのレベル（DPL）を表しています。これは00なので、DPLはリング0で実行されることになります。

この例の中の最後の2バイトは、上記のテーブル内の最後の2バイトです。これはIRベースアドレスの上位16ビット(この例では0です)です。

見てわかるように、ここではそれほど多くのことは行われていません。セレクタは常にGDT内のコードセレクタ（ここでは0x8）になり、あとはフラグビットとIRベースアドレスをm_baseLowと m_baseHiに設定するだけです。 後ほど、すべてを理解するのに役立つ完全な例を示します。

IDTR プロセッサレジスタ

IDTRレジスタは次のような形式になっています。

十分シンプルでしょう？IDTのベースアドレスはこのレジスタに格納されています。 プロセッサはこのレジスタを使って、IDTがどこにあるかを判断しています。

このレジスタにはリミットとベース・アドレスの両方が格納されているため、このフォーマットを知っておくことは非常に重要です。このため、単にIDTのベースアドレスを与えても動作しません。この問題は、通常、次のようなフォーマットで新しい構造体を作成することで解決されます。

idt_ptr:
	.limit	dw idt_end - idt_start	; bits 0...15 is size of idt
	.base	dd idt_start		; base of idt
 
; load register with idt_ptr

あれ、このレジスタはどうやってアクセスするんだっけ？そうなんです。

LIDT命令 - IDTをロードする

lidt [idt_ptr]

SIDT命令 - IDTを格納する

sidt [idt_ptr]

割り込みの仕組み詳細

呼び出す割込みプロシージャを探す

ディスクリプタは割込み、トラップ、タスクゲートのいずれかであることを忘れないでください。インデックスが割込みゲートまたはトラップゲートを指している場合、プロ セッサは例外ハンドラまたは割込みハンドラを呼び出します。これはコールゲートをCALLするのと同じように行われます。インデックスがタスクゲートを指している場合、プロセッサはタスクゲートへのCALLと同様に、例外または割込みハンドラタスクへのタスクスイッチを実行します。

ハンドラの情報とアドレスは、この記述子内に格納されます。プロセッサがスイッチを実行するとき

ハンドラの実行

• ハンドラが低権限レベル（ディスクリプタのビット42-45）で実行される場合、スタックスイッチが発生する。
1. ハンドラが使用するスタックのセグメントセレクタとスタックポインタは、現在実行中のタスクのTSSから取得されます。プロセッサは、割り込みハンドラのスタック・セグメント・セレクタとスタック・ポインタをこの新しいスタックにプッシュします。
2. プロセッサは、EFLAGS、CS、EIPの現在の状態を新しいスタックに保存する。
3. 例外によってエラーコードが保存される場合、エラーコードはEIPの後に新しいスタックにプッシュされます。
• ハンドラが同じ特権レベルで実行されようとしている場合（現在の特権レベル（cpl）が（ディスクリプタのビット42-45）と同じ場合
1. プロセッサは、EFLAGS、CS、EIPの現在の状態を現在のスタックに保存する。
2. 例外によってエラーコードが保存される場合、エラーコードはEIPの後にカレントスタックにプッシュされる

割り込みハンドラが呼ばれたとき、スタックがどのようにプッシュされるのか、また、どのような例外がエラーコードをプッシュするのかを知ることは非常に重要なことです。この点については、次に説明します。

割込みハンドラの内部

ご存知のように、プロセッサはハンドラを実行するとき、いくつかの特別な情報をスタックにプッシュします。もしハンドラが同じリングレベルで実行されているなら（そうなる）、プロセッサは EFLAGS、CS、EIP、エラーコードを 現在のスタックにプッシュすることを覚えておく必要があります。これにより、もし実行可能であれば、実行を継続することができます。

これらのことをまとめると、ハンドラが呼ばれたとき、スタックは次のようにセットアップされることになります。

+---------------+ -- Bottom of stack
|   EFLAGS      |
+---------------+
|   Return CS   |
+---------------+
|  Return EIP   |
+---------------+
|   Error Code  |
+---------------+ -- ESP points here when handler is executed.
                    If there is no error code, ESP points to return EIP

割り込みハンドラ内部エラーコードの書式

エラーコードは以下のようなフォーマットになっています。

• ビット0：外部イベント
• 0: 内部またはソフトウェアイベントによってエラーが発生した。
• 1：外部イベントまたはハードウェアイベントがエラーのトリガーとなった。
• ビット1：記述位置
• 0: エラーコードのインデックス部分は，GDT または現在の LDT のディスクリプタを参照する。
• 1: エラーコードのインデックス部分は、IDTのゲートディスクリプタを参照する。
• ビット2：GDT/LDT。ディスクリプタの位置が0の場合のみ使用する。
• 0：エラーコードのインデックス部分が、現在のGDT内のディスクリプタを参照していることを示します。
• 1：エラーコードのインデックス部分が、LDTのセグメントまたはゲートディスクリプタを参照していることを示します。
• ビット3～15セグメント・セレクタ・インデックス。これは、IDT、GDT、または現在のLDTにおける、エラーコードによって参照されるセグメントまたはゲートセレクタをもたらすインデックスである。
• 16-31ビット予約済み

エラーコードは、外部で発生した例外（INTR、LINT0、LINT1ピン経由）、またはINT n命令ではスタックにプッシュされません。

ページフォルト例外エラーの場合、エラーコードの形式が異なります。それについては、次のセクションで見ていきます。

ハンドラからの復帰

ハンドラ実行時にスタックスイッチが発生した場合、IRETは中断された手順のスタックにも切り替えます。

x86の例外

例外をリストアップ

• エラー- リターンアドレス(ハンドラ呼び出し時にスタックにプッシュされたCS:EIPを返す。詳細は割込みハンドラの内部を参照)は、例外を発生させた命令を指す。例外ハンドラは、問題を修正した後、プログラムを再起動し、何事もなかったかのように見せかけることができる。
• Trap- リターンアドレスは、直前に終了した命令の次の命令を指します。
• Abort- リターンアドレスは常に確実に提供されるとは限りません。Abortするようなプログラムは、決して継続されることはない。

IRQ 0とシステムタイマ

システムタイマーは、通常8253プログラマブルインターバルタイマー（PIT）の一形態で、IRQ 0を使用して、クロックティックが発生したときにそれを知らせます。このデバイスは、システムBIOSによってこのように設定されています。

しかし、ちょっと待ってください。*上の表を見てください*、それはDivide by 0エラーではありませんか？ビンゴです。

保護モードに切り替えたために、テーブルが無効になってしまったのですから、この先どうなることやら。このため、次のシステムティックで即トリプルフォルトとなり、切り替える前に割り込みを無効にしなければならない理由です。

また、8253プログラマブルインターバルタイマ（PIT）はハードウェアデバイスであり、上の表で例外（IRQ 0）を発生させることがわかりますか？実際のエラーなのか、それとも単なるチックなのか、どうすればわかるのでしょうか？

もっと詳しく見てみましょう。

8259Aプログラマブル割り込みコントローラ(PIC)のリマッピング

上記の例では、8253 PITが8259A PICにシステムティックを処理するよう信号を送り、IRQ 0（8253 PITはIRQ 0を使用することを覚えておいてください）を発生させました。これは、a）0による除算例外と、b）まだ書いていないため無効なコードであり、トリプルフォルトを引き起こしました。

この問題を解決するには、8259A PICマイクロコントローラーを再プログラムして、ハードウェアデバイスが異なるIRQを使用するように再マッピングする必要があります。

IFはハードウェア割り込みにしか適用されないため、IFが0（割り込み禁止）の場合でもソフトウェア割り込みを使用できることに留意してください。しかし、ハードウェア割り込みを再び有効にしたい場合は、PICを再プログラムする必要があります。

8259A PICは、プログラムするのがかなり複雑なマイコンです。幸いなことに、そのモードのほとんどは私たちに適用されることはありません。

最後のデモは、PICを再プログラムし、割り込みを再有効化するものです。このチュートリアルを最大限に活用するために、8259A Programmable Interrupt Controllerのチュートリアルを読むことをお勧めします。

ハードウェアの抽象化

これはまた、私たちのハードウェア抽象化レイヤ(HAL)の始まりでもあります!

ご存知のように、私はこの連載を始めるにあたって、ハードウェアの抽象化とその重要性を強調してきました。その理由は、HALの構築を続けていくうちに、すぐにおわかりいただけると思います。Hal をカーネルから完全に独立させることの利点も、ここでわかるかもしれませんね。

さて、それでは HAL の主要なインターフェースの始まりを見てみましょう。

Hal - include/hal.h - HAL のためのプラットフォーム非依存型インターフェース

実装自体はアーキテクチャに依存しますが、我々は単純に異なるアーキテクチャのための実装を構築することができます。各インプリメンテーションはこの共通のインターフェースを使い、(hal.dllのような)ダイナミックローディングをサポートできるので、a)異なるアーキテクチャ用に構築するときにどの静的HALインプリメンテーションを使うかリンクするか、b) 異なるHALを独立して構築し、スタートアップ時にどのHALを使用するかを選択できるのです。これらはすべて同じインタフェース (Hal.h) を使っているので、異なる実装 (したがって異なるハードウェアセットアップ) を使うためにカーネルを変更する必要はありません。

今のところ2つの関数しかありません。必要ならもっと追加する予定です。

//! Initialize and shutdown hal
extern int Hal_Initialize ();
extern int Hal_Shutdown ();

halの中にはgdt, idt, cpuとhal.cppのための非常にシンプルなレイヤーのソフトウェアがいくつか存在します。これらは下のレイヤーを初期化するだけなので（Hal.cppはcpu initializeルーチンを呼び出し、それがgdtとidt initializeメソッドを呼び出します）、このチュートリアルを必要以上に複雑にしてしまうかもしれないので、ここに掲載するつもりはありません。

代わりに、halの大部分に注目しましょう：gdtセットアップコード、idtセットアップコード（これはこのチュートリアルで見たものの大部分を含んでいます）、そしてkenrelのmain()ルーチンです。いかがですか？

GDTの詳細については説明しません。GDTの完全な説明については、チュートリアル8を参照してください。

Hal - hal/gdt.h - グローバルディスクリプタテーブル

ディスクリプタテーブル ...再び

GDTはかなり複雑な構造をしていますね。ご存知のように、GDTはディスクリプタの配列です。GDTのディスクリプタの形式は何だったっけ？そう、じゃあ、いいや...。

• ビット56-63ベースアドレスの24-32ビット
• ビット55：粒度
• 0：なし
• 1: 制限値が4K倍される
• ビット54：セグメントタイプ
• 0:16ビット
• 1:32ビット
• ビット53：予約-0でなければならない
• ビット52：OS用予約
• ビット48-51：セグメント制限のビット16-19
• ビット47セグメントはメモリ内にある（仮想メモリで使用）。
• ビット45-46ディスクリプタ特権レベル
• 0:(リング 0) 最高
• 3:(リング3)最低
• ビット44：ディスクリプタ・ビット
• 0：システム記述子
• 1：コードまたはデータディスクリプタ
• ビット41～43ディスクリプタタイプ
• ビット43:実行可能セグメント
• 0:データセグメント
• 1:コードセグメント
• ビット42:展開方向(データセグメント)、準拠(コードセグメント)
• ビット41:読み出し可能、書き込み可能
• 0：読み出しのみ（データセグメント）、実行のみ（コードセグメント）
• 1：読出しと書込み（データセグメント）、読出しと実行（コードセグメント）
• ビット40：アクセスビット（仮想メモリで使用）
• ビット16～39ビット16～39：ベースアドレスのビット0～23
• ビット0-15：セグメントリミットのビット0-15

はいはい、もうやめときますね :)しかし、真面目な話、Intelはこの構造をもっときれいに作れたと思いませんか？:)

C言語の構造体を作る

以上のように、あの醜い構造体は、構造体の中の4〜5個の素敵なメンバーで表現することができます。これが私たちの構造体です。この構造体を上の説明や表と比較して、どこに何が収まっているかを確認してみてください。 また、この構造体は1バイトにパックされているので、64ビットの大きさが保証されていることも覚えておいてください。

#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (push, 1)
#endif
 
//! gdt descriptor. A gdt descriptor defines the properties of a specific
//! memory block and permissions.
 
struct gdt_descriptor {
 
	//! bits 0-15 of segment limit
	uint16_t		limit;
 
	//! bits 0-23 of base address
	uint16_t		baseLo;
	uint8_t			baseMid;
 
	//! descriptor bit flags. Set using bit masks above
	uint16_t		flags;
 
	//! bits 24-32 of base address
	uint8_t			baseHi;
};
 
#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (pop, 1)
#endif

gdtrの抽象化

• Bits 0-15: size of entire gdt
• Bits 16-48: base address of gdt

#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (push, 1)
#endif
 
//! processor gdtr register points to base of gdt. This helps
//! us set up the pointer
struct gdtr {
 
	//! size of gdt
	uint16_t		m_limit;
 
	//! base address of gdt
	uint32_t		m_base;
};
 
#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (pop, 1)
#endif
 
// Global Descriptor Table (GDT)
static struct gdt_descriptor			_gdt [MAX_DESCRIPTORS];
 
//! gdtr data
static struct gdtr				_gdtr;

gdt_install():gdtr に gdt をインストールする。

//! installs gdtr
static void gdt_install () {
#ifdef _MSC_VER
	_asm lgdt [_gdtr]
#endif
}

gdt_set_descriptor():gdt に新しいディスクリプタを設定します。

//! Setup a descriptor in the Global Descriptor Table
void gdt_set_descriptor(uint32_t i, uint64_t base, uint64_t limit, uint8_t access, uint8_t grand)
{
	if (i > MAX_DESCRIPTORS)
		return;
 
	//! null out the descriptor
	memset ((void*)&_gdt[i], 0, sizeof (gdt_descriptor));
 
	//! set limit and base addresses
	_gdt[i].baseLo	= base & 0xffff;
	_gdt[i].baseMid	= (base >> 16) & 0xff;
	_gdt[i].baseHi	= (base >> 24) & 0xff;
	_gdt[i].limit	= limit & 0xffff;
 
	//! set flags and grandularity bytes
	_gdt[i].flags = access;
	_gdt[i].grand = (limit >> 16) & 0x0f;
	_gdt[i].grand |= grand & 0xf0;
 
}

i86_gdt_initialize() - gdt を初期化する。

//! initialize gdt
int i86_gdt_initialize () {
 
	//! set up gdtr
	_gdtr.m_limit = (sizeof (struct gdt_descriptor) * MAX_DESCRIPTORS)-1;
	_gdtr.m_base = (uint32_t)&_gdt[0];
 
	//! set null descriptor
	gdt_set_descriptor(0, 0, 0, 0, 0);
 
	//! set default code descriptor
	gdt_set_descriptor (1,0,0xffffffff,
		I86_GDT_DESC_READWRITE|I86_GDT_DESC_EXEC_CODE|I86_GDT_DESC_CODEDATA|I86_GDT_DESC_MEMORY,
		I86_GDT_GRAND_4K | I86_GDT_GRAND_32BIT | I86_GDT_GRAND_LIMITHI_MASK);
 
	//! set default data descriptor
	gdt_set_descriptor (2,0,0xffffffff,
		I86_GDT_DESC_READWRITE|I86_GDT_DESC_CODEDATA|I86_GDT_DESC_MEMORY,
		I86_GDT_GRAND_4K | I86_GDT_GRAND_32BIT | I86_GDT_GRAND_LIMITHI_MASK);
 
	//! install gdtr
	gdt_install ();
 
	return 0;
}

Hal: インタラプトディスクリプタテーブル

hal.h - idt_descriptor

#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (push, 1)
#endif
 
//! interrupt descriptor
struct idt_descriptor {
 
	//! bits 0-16 of interrupt routine (ir) address
	uint16_t		baseLo;
 
	//! code selector in gdt
	uint16_t		sel;
 
	//! reserved, shold be 0
	uint8_t			reserved;
 
	//! bit flags. Set with flags above
	uint8_t			flags;
 
	//! bits 16-32 of ir address
	uint16_t		baseHi;
};
 
#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (pop, 1)
#endif

• baseLo- 割り込みルーチン(IR)のベースアドレスの最初の16ビットです。
• これは全体の割り込み記述子内のビット0～15です。割り込みディスクリプタに記載されている表と比較してください。構造
• sel- セグメントセレクタ
• 割り込みディスクリプタ全体のうち、16～31ビット目です。
• reserved- えー...非常に有用な情報です。）
• これは、割り込みディスクリプタ全体の31-38ビットです。
• flags- 面白い情報があるところです!
• 割り込みディスクリプタの39-41ビットです。これは、ビットフラグがある場所です。
• インタラプトディスクリプタ ビート42-45。これはDPL(Descriptor Priveldge Level)です。
• baseHi- IRのベースアドレスのビット16-31。
• これは、全体の割り込みディスクリプタ内のビット46-64です。

idt.cpp - idtr

#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (push, 1)
#endif
 
//! describes the structure for the processors idtr register
struct idtr {
 
	//! size of the interrupt descriptor table (idt)
	uint16_t		limit;
 
	//! base address of idt
	uint32_t		base;
};
 
#ifdef _MSC_VER
#pragma pack (pop, 1)
#endif
 
 
//! interrupt descriptor table
static struct idt_descriptor	_idt [I86_MAX_INTERRUPTS];
 
//! idtr structure used to help define the cpu's idtr register
static struct idtr				_idtr;

idt_install() - 新しい IDT をインストールします。

//! installs idtr into processors idtr register
static void idt_install () {
#ifdef _MSC_VER
	_asm lidt [_idtr]
#endif}

i86_default_handler() - デフォルトのインタラプトハンドラ

これはそのためのものです!これは IDT インターフェースがインストールする基本的な未処理の例外ハンドラです (これについては後で説明します。) このハンドラが行うことは、デバッグモード用にビルドされている場合、エラーを表示することだけです。そして、システムを停止させます。

//! default handler to catch unhandled system interrupts.
void i86_default_handler () {
 
#ifdef _DEBUG
	DebugClrScr (0x18);
	DebugGotoXY (0,0);
	DebugSetColor (0x1e);
	DebugPrintf ("*** [i86 Hal] i86_default_handler: Unhandled Exception");
#endif
 
	for(;;);
}

割り込みから復帰する...

CやC++では、IRから戻るときに自動的にスタックから値をポップアウトしてRET命令を発行しています。これはまずい!このため、IRET命令で復帰する方法を独自に発行する必要があります。

geninterrupt() - 割り込みコールを生成する

問題は、割り込み（INT命令）のOPCodeは1つのフォーマットしかないことです。0xCDimm（immは中間値）です。このため、INT命令ではレジスタもメモリも使用することができません。もちろん、いろいろな方法があります。私は、自己修正コードという、早くて小さな解決策を選びました。

基本的には、INT OPCodeの2バイト目を変更すればよいのです。これは常に2バイト（1バイト目は0xCD、2バイト目は呼び出す割り込み番号）であることを知っていれば、非常に簡単な解決方法です。

//! generate interrupt call
void geninterrupt (int n) {
#ifdef _MSC_VER
	_asm {
		mov al, byte ptr [n]
		mov byte ptr [genint+1], al
		jmp genint
	genint:
		int 0	// above code modifies the 0 to int number to generate
	}
#endif
}

i86_install_ir () - 割り込みハンドラをIDTにインストールする

パラメータとして関数ポインタを渡します。このルーチンはポインタが指す関数のアドレスを取得し、ロービットとハイビットをマスクして_idt [i] の構造体に格納します（i は IDT のディスクリプタオフセット（割り込み番号））。

//! installs a new interrupt handler
int i86_install_ir (uint32_t i, uint16_t flags, uint16_t sel, I86_IRQ_HANDLER irq) {
 
	if (i>I86_MAX_INTERRUPTS)
		return 0;
 
	if (!irq)
		return 0;
 
	//! get base address of interrupt handler
	uint64_t		uiBase = (uint64_t)&(*irq);
 
	//! store base address into idt
	_idt[i].baseLo		=	uiBase & 0xffff;
	_idt[i].baseHi		=	(uiBase >> 16) & 0xffff;
	_idt[i].reserved	=	0;
	_idt[i].flags		=	flags;
	_idt[i].sel		=	sel;
 
	return	0;
}

i86_idt_initialize () - IDTインタフェースの初期化

IDTのセットアップに使用するビット・フラグはidt.hで定義されており、コードを読みやすく、修正しやすくするために提供されています。

//! initialize idt
int i86_idt_initialize (uint16_t codeSel) {
 
	//! set up idtr for processor
	_idtr.limit = sizeof (struct idt_descriptor) * I86_MAX_INTERRUPTS -1;
	_idtr.base	= (uint32_t)&_idt[0];
 
	//! null out the idt
	memset ((void*)&_idt[0], 0, sizeof (idt_descriptor) * I86_MAX_INTERRUPTS-1);
 
	//! register default handlers
	for (int i=0; i<I86_MAX_INTERRUPTS; i++)
		i86_install_ir (i, I86_IDT_DESC_PRESENT | I86_IDT_DESC_BIT32,
			codeSel, (I86_IRQ_HANDLER)i86_default_handler);
 
	//! install our idt
	idt_install ();
 
	return 0;
}

デモのまとめ

このチュートリアルがもっと複雑にならないように、まだハードウェア割り込みを扱わないことにしました。次回のチュートリアルでは、カーネルのシステムタイマとして使用する8253 Programmable Interval Timer (PIT)のコードと、ハードウェア割り込みに必要な8259A Programmable Interrupt Controller のコードを開発するのと同様に、これをカバーする予定です。

デモをよく研究し、すべてがどのように動くかを研究してください。i86_install_ir()を使って独自の割り込みハンドラを登録し、割り込みを発生させるようにします。これを行うために必要なことは、以下の通りです。

//! our uber 1337 interrupt handler. handles int 5 request
void int_handler_5 () {
 
	_asm add esp, 12
	_asm pushad
 
	// do whatever...
 
	_asm popad
	_asm iretd
}
 
//! registers our interrupt handler
i86_install_ir (5, I86_IDT_DESC_PRESENT | I86_IDT_DESC_BIT32,
	0x8, (I86_IRQ_HANDLER)int_handler_5);
 
//! generates int 5 instruction. You can also use inline assembly, of course
geninterrupt (5);

まとめ

このチュートリアルは少し複雑です。OSのプログラミングは楽しいですよね。^_^

次のチュートリアルでは、カーネルをさらに発展させます。8259A PICチュートリアルと同様に、8254プログラマブルインターバルタイマ（PIT）マイクロコントローラでタイミングを処理する予定です。その後、メモリ管理やプロセス管理を行う予定です。基本的なデバッグ用のテキストベースのコンソールを開発することもあるかもしれません。