Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486

3.2. Прерывания защищённого режима

В защищённом режиме все прерывания разделяются на два типа - обычные прерывания и исключения (exception - исключение, особый случай).

Обычное прерывание инициируется командой INT (программное прерывание) или внешним событием (аппаратное прерывание). Перед передачей управления процедуре обработки обычного прерывания флаг разрешения прерываний IF сбрасывается и прерывания запрещаются.

Исключение происходит в результате ошибки, возникающей при выполнении какой-либо команды, например, если команда пытается выполнить запись данных за пределами сегмента данных или использует для адресации селектор, который не определён в таблице дескрипторов. По своим функциям исключения соответствуют зарезервированным для процессора внутренним прерываниям реального режима. Когда процедура обработки исключения получает управление, флаг IF не изменяется. Поэтому в мультизадачной среде особые случаи, возникающие в отдельных задачах, не оказывают влияния на выполнение остальных задач.

В защищённом режиме прерывания могут приводить к переключению задач. О задачах и мультизадачности мы будем говорить в следующей главе.

Теперь перейдём к рассмотрению механизма обработки прерываний и исключений в защищённом режиме.

Таблица прерываний защищённого режима

Обработка прерываний и исключений в защищённом режиме по аналогии с реальным режимом базируется на таблице прерываний. Но таблица прерываний защищённого режима является таблицей дескрипторов, которая содержит так называемые вентили прерываний, вентили исключений и вентили задач.

Таблица прерываний защищённого режима называется дескрипторной таблицей прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). Также как и таблицы GDT и LDT, таблица IDT содержит 8-байтовые дескрипторы. Причём это системные дескрипторы - вентили прерываний, исключений и задач. Поле TYPE вентиля прерывания содержит значение 6, а вентиля исключения - значение 7.

Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT показан на рис. 12.

Рис. 12. Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT.

Где располагается дескрипторная таблица прерываний IDT?

Её расположение определяется содержимым 5-байтового внутреннего регистра процессора IDTR. Формат регистра IDTR полностью аналогичен формату регистра GDTR, для его загрузки используется команда LIDT. Так же, как регистр GDTR содержит 24-битовый физический адрес таблицы GDT и её предел, так и регистр IDTR содержит 24-битовый физический адрес дескрипторной таблицы прерываний IDT и её предел.

Регистр IDTR обычно загружают перед переходом в защищённый режим. Разумеется, это можно сделать и потом, находясь в защищённом режиме. Однако для этого программа должна работать в привилегированном нулевом кольце.

Исключения в защищённом режиме

Для обработки особых ситуаций - исключений - разработчики процессора i80286 зарезервировали 31 номер прерывания. В таблице 3 приведён полный список зарезервированных прерываний защищённого режима.

Таблица 4. Зарезервированные прерывания защищённого режима.

00h	Ошибка при выполнении команды деления.
01h	Прерывание для пошаговой работы, используется отладчиками.
02h	Немаскируемое прерывание.
03h	Прерывание по точке останова для отладчиков.
04h	Переполнение, генерируется командой INTO, если установлен флаг OF.
05h	Генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона.
06h	Недействительный код операции, или длина команды больше 10 байт.
07h	Отсутствие арифметического сопроцессора.
08h	Двойная ошибка, вырабатывается в том случае, если при обработке исключения возникло ещё одно исключение. Если во время обработки этого прерывания возникает третье исключение, процессор переходит в состояние отключения, что приводит к перезапуску процессора.
09h	Превышение сегмента арифметическим сопроцессором.
0Ah	Недействительный сегмент состояния задачи TSS.
0Bh	Отсутствие сегмента. Вырабатывается при попытке использовать для адресации дескриптор, у которого бит присуствия сегмента в памяти P сброшен в 0. Это прерывание используется для реализации механизма виртуальной памяти. В этом случае по прерыванию 0Bh операционная система может выполнить подкачку отсутствующего сегмента в память.
0Ch	Исключение при работе со стеком. Может возникать в случае отсутствия сегмента стека в памяти или в случае переполнения (антипереполнения) стека.
0Dh	Исключение по защите памяти. Возникает при любых попытках получения доступа к сегментам памяти, если программа обладает недостаточным уровнем привилегий.
0Eh	Отказ страницы для процессоров i80386 или i80486, зарезервировано для i80286.
0Fh	Зарезервировано.
10h	Исключение сопроцессора.
11h - 1Ah	Зарезервированы.

Перед тем, как передать управление обработчику исключения, для многих зарезервированных прерываний процессор помещает в стек 16-битовый код ошибки. Этот код ошибки программа может проанализировать и тем самым получить некоторую дополнительную информацию об ошибке.

Формат кода ошибки приведён на рис. 13.

Рис. 13. Формат кода ошибки процессора i80286.

Поле индекса содержит индекс дескриптора, при обращении к которому произошла ошибка. Поле I, равное 1, означает, что этот индекс относится к таблице IDT. В этом случае произошла ошибка при обработке прерывания или исключения.

Если бит I равен 0, поле TI выбирает таблицу дескрипторов (GDT или LDT) по аналогии с соответствующим полем селектора.

Бит EXT устанавливается в том случае, когда ошибка произошла не в результате выполнения текущей команды, а по внешним относительно выполняемой программы причинам. Например, при обработке аппаратного прерывания от устройства ввода/вывода произошло обращение к отсутствующему в памяти сегменту (у которого в дескрипторе сброшен бит присутствия P).

Как мы только что говорили, коды ошибок включаются в стек не для всех исключений. Программа сможет проанализировать этот код только для следующих исключений:

08h - двойная ошибка;
0Ah - недействительный TSS;
0Bh - отсутствие сегмента в памяти;
0Ch - исключение при работе со стеком;
0Dh - исключение по защите памяти.

Заметим, что аналога коду ошибки для зарезервированных прерываний в реальном режиме нет.

Кроме того, новым при обработке прерываний в защищённом режиме является свойство повторной запускаемости исключений. Свойством повторной запускаемости обладают не все исключения.

Что такое повторная запускаемость?

Поясним это на конкретном примере. Пусть в нашей системе реализована виртуальная память. Программа в некоторый момент времени обратилась к отсутствующему в оперативной памяти сегменту, выдав какую-либо команду, например MOV или ADD.

Возникло исключение 0Bh - отсутствие сегмента в памяти. Обработчик этого исключения, входящий в состав операционной системы выполнил свопинг соответствующего сегмента в оперативную память. Что дальше? А дальше было бы неплохо повторить выполнение прерванной команды!

Это можно сделать, так как для всех повторно запускаемых исключений (кроме 03h - прерывание по точке останова и 04h - переполнение) в стек включается адрес не следующей за прерванной командой, а адрес первого байта команды, которая вызвала исключение. Выполнив команду IRET, программа обработки исключения вновь передаст управление прерванной команде.

Свойством повторной запускаемости обладает большинство зарезервированных прерываний, кроме следующих:

01h - прерывание для пошаговой работы;
08h - двойная ошибка;
09h - превышение сегмента сопроцессором;
0Dh - исключение по защите памяти;
10h - исключение сопроцессора.

Обработка аппаратных прерываний

Вспомните диапазон номеров прерываний, используемый в реальном режиме в компьютерах IBM PC: для обработки прерываний IRQ0-IRQ7 используются номера прерываний от 08h до 0Fh, а для IRQ8-IRQ15 - от 70h до 77h.

Но в защищённом режиме номера от 08h до 0Fh зарезервированы для обработки исключений!

К счастью, имеется простой способ перепрограммирования контроллера прерываний на любой другой диапазон номеров векторов аппаратных прерываний. Например, аппаратные прерывания можно расположить сразу за прерываниями, зарезервированными для обработки исключений.

После возврата процессора в реальный режим необходимо восстановить состояния контроллера прерываний. Если при подготовке к возврату в реальный режим мы записали в CMOS-память байт состояния отключения со значением 5, после сброса BIOS сам перепрограммирует контроллер прерываний для работы в реальном режиме и нам не надо об этом беспокоиться. В противном случае программа должна установить правильные номера для аппаратных прерываний реального режима.