Blog OS项目：硬件中断处理机制详解-优快云博客

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Blog OS项目：硬件中断处理机制详解

blog_os Writing an OS in Rust 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/bl/blog_os

硬件中断概述

在操作系统开发中，硬件中断是外设与CPU通信的重要机制。与轮询方式不同，中断允许外设在需要CPU处理时主动通知系统，这种方式更加高效且响应及时。在Blog OS项目中，我们需要正确处理硬件中断以实现键盘输入、定时器等功能。

8259可编程中断控制器(PIC)

PIC基本架构

8259 PIC是早期x86系统使用的中断控制器，现代系统虽然已转向APIC架构，但仍保持对8259的兼容。典型系统配置包含两个级联的PIC芯片：

主PIC：处理高优先级中断，端口号为0x20(命令)和0x21(数据)
从PIC：通过主PIC的IRQ2线级联，端口号为0xa0(命令)和0xa1(数据)

15个中断线的典型分配包括：

定时器(IRQ0)
键盘(IRQ1)
实时时钟(IRQ8)
鼠标(IRQ12)等

PIC初始化与重映射

默认情况下，PIC使用0-15的中断向量号，这与CPU异常号冲突。我们需要将其重映射到32-47的范围：

// 在src/interrupts.rs中定义PIC偏移量
pub const PIC_1_OFFSET: u8 = 32;
pub const PIC_2_OFFSET: u8 = PIC_1_OFFSET + 8;

// 使用pic8259 crate管理PIC
pub static PICS: spin::Mutex<ChainedPics> =
    spin::Mutex::new(unsafe { ChainedPics::new(PIC_1_OFFSET, PIC_2_OFFSET) });

初始化过程在操作系统启动时完成：

// 在src/lib.rs的init函数中
pub fn init() {
    gdt::init();
    interrupts::init_idt();
    unsafe { interrupts::PICS.lock().initialize() };
    x86_64::instructions::interrupts::enable();
}

定时器中断处理

中断处理函数实现

定时器使用主PIC的IRQ0线，对应中断号32。我们定义专门的枚举来管理中断号：

#[derive(Debug, Clone, Copy)]
#[repr(u8)]
pub enum InterruptIndex {
    Timer = PIC_1_OFFSET,
}

然后为定时器中断添加处理函数：

lazy_static! {
    static ref IDT: InterruptDescriptorTable = {
        let mut idt = InterruptDescriptorTable::new();
        idt[InterruptIndex::Timer.as_usize()]
            .set_handler_fn(timer_interrupt_handler);
        idt
    };
}

extern "x86-interrupt" fn timer_interrupt_handler(_stack_frame: InterruptStackFrame) {
    print!(".");
    unsafe {
        PICS.lock()
            .notify_end_of_interrupt(InterruptIndex::Timer.as_u8());
    }
}

中断结束(EOI)信号

关键点在于处理完成后必须发送EOI信号，否则PIC将停止发送后续中断。我们使用notify_end_of_interrupt方法通知PIC中断处理已完成。

并发问题与解决方案

死锁问题分析

当定时器中断发生在println!锁定WRITER期间时，会导致死锁：

主程序锁定WRITER
定时器中断发生
中断处理程序尝试锁定WRITER
双方互相等待，系统挂起

解决方案：中断禁用

在访问共享资源时临时禁用中断：

pub fn _print(args: fmt::Arguments) {
    use x86_64::instructions::interrupts;
    
    interrupts::without_interrupts(|| {
        WRITER.lock().write_fmt(args).unwrap();
    });
}

同样需要修改串口输出函数：

pub fn _print(args: ::core::fmt::Arguments) {
    use x86_64::instructions::interrupts;
    
    interrupts::without_interrupts(|| {
        SERIAL1.lock().write_fmt(args).expect("Printing to serial failed");
    });
}

竞态条件处理

测试时发现的test_println_output失败源于测试代码与定时器中断的竞争。解决方案同样是在测试期间禁用中断：

#[test_case]
fn test_println_output() {
    use x86_64::instructions::interrupts;
    
    interrupts::without_interrupts(|| {
        let s = "Test string";
        println!("{}", s);
        // 验证代码...
    });
}