从零开发操作系统-聊一下GDT 和 IDT

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一、背景

其实也没有啥背景。 最主要的原因就像 《30天自制操作系统》一书作者说的那样,写一个操作系统,仅仅想想就是一件特别有趣的事情呢。一两年前曾经入手开始写过,但慢慢的就不了了之了。现在又有这个想法了,准备一直干下去,最终写一个操作系统出来,算是程序员生涯的一份礼物。

其次的原因,是因为我也认为未来初级程序员的岗位会越来越少,借助 LLM 人人都是初级程序员可能会变成现实。这个时候专业性和底层就会越来越重要。

二、GDT 和 IDT

目前已经进入到了第5天,除了前2天感觉进度缓慢要知道的东西有很多之外,后面的进度越来越快了。 第5天已经可以显示字母和鼠标了,鼠标动起来的时候,遇到 GDT 和 IDT。

2.1 为什么鼠标移动需要 GDT 和 IDT

在计算机系统中,GDT(全局描述符表)和IDT(中断描述符表)是用于管理内存访问和中断处理的重要数据结构。虽然鼠标移动本身并不直接需要GDT和IDT,但在操作系统中,鼠标移动通常是通过中断来实现的,而中断处理需要依赖于IDT。

当鼠标移动时,鼠标硬件会产生一个中断信号,通知CPU有新的鼠标数据可用。CPU接收到中断信号后,会根据IDT中的中断描述符找到相应的中断处理程序,并执行该程序来处理鼠标数据。在这个过程中,GDT用于定义内存段的属性,确保中断处理程序能够正确地访问内存中的数据和代码。

具体来说,GDT和IDT在鼠标移动中的作用如下:

GDT:GDT用于定义内存段的基地址、段限长和访问权限等属性。在操作系统中,每个内存段都有一个对应的段描述符,这些描述符存储在GDT中。当CPU执行中断处理程序时,它需要访问内存中的数据和代码,GDT确保了这些访问是合法和安全的。

IDT:IDT用于存储中断处理程序的入口地址。当鼠标移动产生中断时,CPU会根据中断类型查找IDT,找到相应的中断处理程序,并跳转到该程序执行。IDT中的每个中断描述符包含了中断处理程序的段选择子和偏移量,这些信息用于定位中断处理程序在内存中的位置。

因此,虽然鼠标移动本身并不直接需要GDT和IDT,但在操作系统中,它们是实现鼠标移动和其他硬件设备交互的基础。通过GDT和IDT,操作系统能够有效地管理内存访问和中断处理,确保系统的稳定性和安全性。

2.2 GDT 和 IDT 解释

要想解释 GDT 和 IDT,不得不说:分段

所谓分段,打个比方说,就是按照自己喜欢的方式,将内存分成很多块(block),每一块的起始地址都看作0来处理。这很方便,有了这个功能,任何程序都可以先写上一句ORG 0。像这样分割出来的块,就称为段(segment)。顺便说一句,如果不用分段而用分页(paging),也能解决问题。不过我们目前还不讨论分页,可以暂时不考虑它。

而分段具体分多少个段,怎么分,需要有一个记录,也就是GDT,"global (segment) descriptor table"的缩写,意思是全局段号记录表。

将这些数据整齐地排列在内存的某个地方,然后将内存的起始地址和有效设定个数放在CPU内被称作GDTR的特殊寄存器中,设定就完成了。

另外,IDT是"interrupt descriptor table"的缩写,直译过来就是"中断记录表"。当CPU遇到外部状况变化,或是内部偶然发生某些错误时,会临时切换过去处理这种突发事件。这就是中断功能。

各个设备有变化时就产生中断,中断发生后,CPU暂时停止正在处理的任务,并做好接下来能够继续处理的准备,转而执行中断程序。中断程序执行完以后,再调用事先设定好的函数,返回处理中的任务。正是得益于中断机制,CPU可以不用一直查询键盘,鼠标,网卡等设备的状态,将精力集中在处理任务上。

其实总结来说就是:要使用鼠标,就必须要使用中断。所以,我们必须设定IDT。IDT记录了0~255的中断号码与调用函数的对应关系, 比如说发生了123号中断,就调用OX函数,其设定方法与GDT很相似(或许是因为使用同样的方法能简化CPU的电路)。 如果段的设定还没顺利完成就设定IDT的话,会比较麻烦,所以必须先进行GDT的设定。

这是因为IDT中的中断处理程序可能需要访问内存中的不同段,比如:当CPU接收到一个中断信号时,它会根据中断类型查找IDT, 然后跳转到相应的中断处理程序执行。中断处理程序通常需要访问内存中的不同段,例如代码段、数据段、堆栈段等,以便执行相应的操作。

如果GDT没有正确设置,那么中断处理程序可能无法正确地访问内存,从而导致系统错误。

因此,在设置IDT之前,必须确保GDT已经正确设置,这样才能保证中断处理程序能够正确地访问内存,从而避免系统错误。

三、总结

文章深入探讨了GDT和IDT在操作系统中的关键角色,解释了它们如何协同工作以管理内存和中断,确保系统高效、稳定地运行。作者通过实际开发经历,强调了正确设置GDT和IDT的必要性。

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