09-11-15：中断原理

 

摘要：本文主要介绍C语言中中断服务程序的编写、安装和使用。由于硬中断服务程序的编写涉及到硬件端口读写操作，使得用户直接和硬件打交道，在程序设计过程中要用到的数据（如硬件端口地址等）比较多，这就使程序员和计算机的硬件设备间缺少一种“缓冲”的作用，况且，用汇编语言来直接对硬件编程要方便得多。本文仅对软中断程序的编写作个介绍。
关键词：软中断、中断向量、中断向量表、TSR内存驻留、DOS重入、中断请求、段地址、偏移量、寄存器、BIOS、DOS、setvect ( )、getvect ( )、keep ( )、disable ( )、enable ( )、geninterrupt ( )、int86 ( )、interrupt
    对于一般的C语言爱好者而言，就如何在C中使用中断例程这一问题应该已经非常熟悉，例如，我们可以通过int86 ( )函数调用13H号中断直接对磁盘物理扇区进行操作，也可以通过INT86 ( )函数调用33H号中断在屏幕上显示鼠标光标等。其实，13H号也好，33H号也好，它们只不过就是一些函数，这些函数的参数通过CPU的寄存器传递。中断号也只不过是间接地指向函数体的起始内存单元，说它是间接的，也就是说，函数的起始段地址和偏移量是由中断号通过一种方法算得的（具体如何操作，下面会作解释）。如此一来，程序员不必要用太多的时间去写操作硬件的程序了，只要在自己的程序中设置好参数，再调用BIOS或DOS提供的中断服务程序就可以了，大大减小了程序开发难度，缩短了程序开发周期。那么中断既然是函数，就可以由用户任意的调用、由用户任意地编写。
    计算机内存的前1024个字节（偏移量00000H到003FFH）保存着256个中断向量，每个中断向量占4个字节，前两个字节保存着中断服务程序的入口地址偏移量，后两个字节保存着中断程序的入口段地址，使用时，只要将它们分别调入寄存器IP及CS中，就可以转入中断服务程序实现中断调用。每当中断发生时，CPU将中断号乘以4，在中断向量表中得到该中断向量地址，进而获得IP及CS值，从而转到中断服务程序的入口地址，调用中断。这就是中断服务程序通过中断号调用的基本过程。在计算机启动的时候，BIOS将基本的中断填入中断向量表，当DOS得到系统控制权后，它又要将一些中断向量填入表中，还要修改一部分BIOS的中断向量。有一部分中断向量是系统为用户保留的，如60H到67H号中断，用户可以将自己的中断服务程序写入这些中断向量中。不仅如此，用户还可以自己更改和完善系统已有的中断向量。
    在C语言中，提供了一种新的函数类型interrupt，专门用来定义中断服务程序，比如我们可以写如下的中断服务程序：
/*例1：中断服务程序*/
void interrupt int60()
{
 puts("This is an example");
}
该中断的功能就是显示一个字符串，为什么不用printf ( )函数呢？这就牵涉到DOS的重入问题，后面将作一些介绍。
    一个简单的中断服务程序写好了，如何把它的函数入口地址填写到中断向量表中，以便在产生中断的时候能转入中断服务程序去执行呢？这里要用到setvect ( )和getvect ( )函数。setvect ( )有两个参数：中断号和函数的入口地址，其功能是将指定的函数安装到指定的中断向量中，getvect ( )函数有一个参数：中断号，返回值是该中断的入口地址。在安装中断以前，最好用disable ( )函数关闭中断，以防止在安装过程中又产生新的中断而导致程序运行混乱，待安装完成后，再用enable ( )函数开放中断，使程序正常运行。现在我们可以把上面的例子再丰富一下：
/*例2：中断服务程序的编写、安装和使用*/

#include <dos.h>

#include <stdio.h>

#ifdef __cplusplus

 #define __ARGU ...

#else

 #define __ARGU

#endif

void interrupt int60 (__ARGU)  /*中断服务函数*/

{

 puts("This is an example");

}

void install (void interrupt (*fadd)(__ARGU),int num) /*安装中断*/
{
 disable(); /*关闭中断*/
 setvect(num, fadd); /*设置中断*/
 enable(); /*开放中断*/
}
void main()
{
install (int60,0x60);/*将int60函数安装到0x60中断*/
geninterrupt (0x60); /*人为产生0x60号中断*/
}
有一定经验的读者很容易得到该程序的执行结果：在屏幕上显示“This is an example!”。
    编写、安装中断服务程序的方法就介绍这些。下面再浅谈一下内存驻留程序（TSR）的编写和使用。在C语言中，可以用keep ( )函数将程序驻留内存。这个函数有两个参数：status和size。size为驻留内存长度，可以用size=_SS+_SP/16-_psp得到，当然这也是一种估算的方法，并不是精确值。函数执行完以后，出口状态信息保存在status中。比如，对于上面的例子，将“geninterrupt (0x60);”改写成“keep(0,_SS+_SP/16-_psp);”后再执行程序，这一段程序就被驻留，此后在其它的任何软件或程序设计中，只要用到了60H号中断，就会在屏幕上显示“This is an example!”的字样。要恢复系统对60H号中断的定义，只能重新启动计算机。
    像上面的例子其实还很不完善，它没有考虑DOS系统环境的状态、没有考虑程序是否已经驻留内存、没有考虑退出内存驻留等问题。对于第二个问题还是很容易解决的：执行程序一开始就读取某一函数中断入口地址（如63H号中断）判断是否为空（NULL），如果为空就先将该地址置为非空再驻留内存，若为非空则表示已经驻留并退出程序。这一步判断非常重要，否则将会因为重复驻留占用过多内存空间而最后造成系统崩溃。至于其它两个问题，在此不多作说明，有兴趣的读者可以参考一些有关书籍。
    不仅如此，我们还可以通过在DOS下使用热键（Hotkey）来调用内存驻留程序。比如将《希望汉字系统》自带的《希望词典》驻留内存后，在任意时刻按下Ctrl+F11键，就能激活程序，出现词典界面。微机的键盘中有一个微处理芯片，用来扫描和检测每个按键的按下和释放状态。大多数按键都有一个扫描码，告知CPU当前的状态，但一些特殊的键如PrintScreen、Ctrl+Break等不会产生扫描码，而直接产生中断。正因为如此，我们可以将Ctrl+Break产生的中断号指向我们自己写好的程序入口地址，那么当按下Ctrl+Break后，系统就会调用我们自己的程序去执行，这实际上也就是修改了Ctrl+Break的中断向量。至于其它按键激活程序则可以利用9H号键盘中断捕获的扫描码来实现，在此不多作说明。例如，执行下面的程序后，退回DOS系统，在任意的时候按下Ctrl+Break后，屏幕的底色就会变成红色。
/*例3：中断服务程序编写、安装和使用，内存驻留*/
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#ifdef __cplusplus
 #define __ARGU ...
#else
 #define __ARGU
#endif
void interrupt newint(__ARGU); /*函数声明*/
void install (void interrupt (*fadd)(__ARGU), int num);
int main()
{
 install (newint,0x1b); /*Ctrl+Break中断号:1BH*/
 keep(0,_SS+(_SP/16)-_psp); /*驻留程序*/
 return 0;
}
void interrupt newint(__ARGU)
{
 textbackground(4); /*设置屏幕底色为红色*/
 clrscr(); /*清除屏幕*/
}
void install (void interrupt (*fadd)(__ARGU), int num)
{
 disable();
 setvect(num,fadd); /*设置中断*/
 enable();
}
    由于13H号中断是BIOS提供的磁盘中断服务程序，对于DOS下的应用程序，它们的存盘、读盘功能都是通过调用这一中断来实现的。有许多DOS下的病毒就喜欢修改13H号中断来破坏系统，例如，修改13H号中断服务程序，将其改成：
/*例4：病毒体程序伪代码*/
void interrupt new13(__ARGU)
{
 if (病毒发作条件成熟)
 { 修改入口参数指向病毒程序入口地址;
  执行病毒代码;
 }
 调用原来的13H中断；
}
只要当任一软件（如EDIT.COM等）对磁盘有操作并且病毒发作条件成熟时，病毒就被激活。当然，这样做会导致可用内存空间减少，容易被用户发现。一些“聪明”的病毒又会去修改其它的中断向量，使得系统报告的内存大小和实际相符合。还有的病毒，当发现用户通过一些程序（如DEBUG.COM等）去跟踪它时，它会悄悄地溜掉，其基本原理仍然与修改中断有关。硬盘的0面0柱1扇区（Side 0 Cylinder 0 Sector 1）保存着重要的引导信息，一旦破坏，计算机将无法识别硬盘。我们可以写一个程序来防止任何软件（包括病毒）对这一扇区执行“写”操作，一定程度上实现了“写保护”的作用，它的基本原理就是修改13H号中断向量并常驻内存，监视着软件（包括病毒）对磁盘操作的每一个细节。读者请注意：本程序没有考虑内存驻留的退出，如果想恢复13H号中断，请重新启动计算机。
/*例5：主引导扇区保护,请用Turbo C 2.0编译,MBSP.C*/
#include <dos.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#define STSIZE 8192

#define PSP_ENV_PSP 0x2c
#define PARA(x) ((FP_OFF(x)+15)>>4)

typedef struct {
 unsigned bp,di,si,ds,es,dx,cx,bx,ax,ip,cs,flags;
} INTERRUPT_PARAMETER;
void install (void interrupt (*faddress)(), int num);
void interrupt new13(INTERRUPT_PARAMETER p);
int main()
{
union REGS regs;
struct SREGS sregs;
unsigned mem;
unsigned far *pointer;
char far *stack;
printf("/n<<Master Boot Sector Protector>> version 1.0/n/n");
   if ((stack=malloc(STSIZE))==NULL)
  {
  printf ("Not enough Memory!/n");
  exit(1);
  }
 if (getvect(0x62)!=NULL)
  {
  printf("Already Installed!/n");
  exit(1);
  }
 install(getvect(0x13),0x62);
 install (new13,0x13);
 pointer=MK_FP(_psp,PSP_ENV_PSP);
 freemem(*pointer);
 segread(&sregs);
 mem=sregs.ds+PARA(stack)-_psp;
 setblock(_psp,mem);
 keep (0,mem);
 return 0;
}

void install (void interrupt (*faddress)(), int num)
{
 disable();
 setvect(num,faddress);
 enable();
}

void interrupt new13(INTERRUPT_PARAMETER p)
{
p.ax=_AX;
p.cx=_CX;
p.dx=_DX;
if(_AH==0x03&&_CH==0&&_CL==0x01&&_DH==0&&_DL==0x80) return;
enable();
geninterrupt (0x62);
disable();
_AX=p.ax;
_CX=p.cx;
_DX=p.dx;
return;
}
    说明：在使用本程序以前，请：①用杀毒软件对计算机引导扇区、内存和所有文件进行一次全面的扫描，确信计算机中没有任何病毒；②有计算机汇编语言基础的读者可以自己写一个新的引导程序，先将本程序驻留内存，再调用原来的引导程序，以便在病毒还没有取得系统控制权以前开启防护功能。
    最后简要说明一下DOS系统重入问题。DOS是单用户单任务操作系统。如果程序在执行的过程中被打断，就有可能因为破坏了原来的程序运行环境而造成运行不正常，这是灾难性的。当中断产生后，CPU立即中止当前的程序去执行中断服务程序，如果在中断服务程序中又有对DOS中断的调用（如DOS的21H号中断）时，这样必定会重写环境全局变量（例如PSP程序段前缀就会被改成正在执行的中断程序的PSP），这样原来的环境被破坏，原来的程序也就无法正确执行。当中断调用完成并返回后，用户得到的结果是出乎意料的。所以在编写中断服务程序时应该避免DOS系统功能调用，在C语言的中断服务程序中不应该出现malloc ( )、printf ( )、sprintf ( )等函数。