从零开始制作 MyOS（六）

从零开始制作 MyOS（六）

今天的任务是：添加异常处理代码——除零操作。

除零操作的过程概述：

C代码中的除零代码被编译成汇编语言，然后CPU在执行的时候发现除数为0后，直接触发除零错误，然后保存上下文，关中断，去读取IDT设置的错误类型是否有对应匹配，如果有就跳转到该错误处理方式。

背景知识

什么是中断

1. 中断是CPU暂停当前执行流程，转去执行特定处理程序，完成后恢复原流程的机制。
2. 中断分为硬件中断和软件中断：
   • 硬件中断是由外部设备，比如鼠标，键盘等发出，PIC/APIC 触发；
   • 软件中断是由 CPU 内部事件触发，比如异常：指令执行过程中产生的错误或特殊清空；比如软中断：通过指令 INT n 指令主动触发中断

中断的作用

1. 实现设备异步通知
2. 处理紧急事件
3. 支持多任务调度
4. 提供系统调用接口

什么异常

异常指CPU在执行指令过程中检测到的特殊条件或错误情况，会自动触发中断处理。

异常分为故障，陷阱，中止

1. 故障：可修复，修复后可重新执行的异常：比如叶故障，段不存在，堆栈故障
2. 陷阱：用于调试，执行后可继续下条指令，比如断点，单步执行，溢出等
3. 中止：一种无法恢复的严重错误，通常需要终止程序，比如有双重故障，机器检查

如何处理异常

在保护模式下，异常通过中断描述符表（IDT） 来处理。IDT包含256个条目，每个条目描述一个中断或异常的处理程序

IDT

中断描述符表（Interrupt Descriptor Table），是 x86 架构在保护模式下用于处理中断和异常的数据结构，定义了 256 个中断向量的处理程序

IDT内存布局：
+----------------+ 0x00000000
| 条目0 | ← 异常0：除零错误
+----------------+
| 条目1 | ← 异常1：调试异常
+----------------+
| 条目2 | ← 异常2：NMI
+----------------+
| ... |
+----------------+
| 条目32 | ← IRQ0：定时器中断
+----------------+
| ... |
+----------------+
| 条目255 | ← 最后的中断向量
+----------------+

异常处理流程

除法指令 → 除数为0 → CPU自动保存状态 → 查找IDT[0] → 跳转到isr0 → 执行异常处理程序

代码

一、数据结构定义

1. 中断描述符条目 （IDT Entry）

struct idt_entry {
    uint16_t base_low;    // 处理程序地址低16位
    uint16_t selector;    // 代码段选择子（0x08 = 内核代码段）
    uint8_t zero;         // 保留，必须为0
    uint8_t flags;        // 类型属性（0x8E = 32位中断门）
    uint16_t base_high;   // 处理程序地址高16位
} __attribute__((packed));

关键参数说明：

• selector: 0x08 - 指向GDT中的内核代码段
• flags: 0x8E - 表示32位中断门，DPL=0（最高权限）

2. 中断帧 （Interrupt Frame）

struct interrupt_frame {
    uint32_t eip;        // 发生异常时的指令指针
    uint32_t cs;         // 代码段选择子
    uint32_t eflags;     // 标志寄存器状态
    uint32_t esp;        // 栈指针
    uint32_t ss;         // 栈段选择子
    uint32_t error_code; // 错误代码（某些异常才有）
};

当异常发生时，CPU会自动将寄存器值压入栈中，形成中断帧

二、IDT 初始化过程

void idt_init(void) {
    struct idt_ptr idtp;
    idtp.limit = (sizeof(struct idt_entry) * IDT_ENTRIES) - 1;
    idtp.base = (uint32_t)&idt;

    // 设置除零异常处理
    idt_set_gate(0, (uint32_t)isr0, 0x08, 0x8E);

    idt_load((uint32_t)&idtp);
    printf("IDT initialized with divide-by-zero handler\n");
}

关键步骤：

1. 设置IDT指针（limit和base）
2. 配置异常0的处理程序为isr0
3. 使用lidt指令加载IDT

三、汇编异常处理程序

isr0:
    cli                 ; 关中断，防止嵌套异常
    pusha               ; 保存所有通用寄存器
    push esp            ; 传递栈指针（指向中断帧）
    call divide_by_zero_handler  ; 调用C处理程序
    ; 处理程序不应返回，如果返回则继续执行
    add esp, 4
    popa
    sti                 ; 开中断
    iret                ; 中断返回（不会执行到这里）

寄存器保存的意义：

1. pusha - 保存EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI
2. push esp - 将当前栈指针传递给C函数作为中断帧指针

四、C 语言处理异常程序

void divide_by_zero_handler(struct interrupt_frame* frame) {
    printf("\n=== DIVIDE BY ZERO EXCEPTION ===\n");
    printf("Instruction Pointer: 0x%x\n", frame->eip);
    printf("Code Segment: 0x%x\n", frame->cs);
    printf("Stack Pointer: 0x%x\n", frame->esp);
    printf("=== SYSTEM HALTED ===\n");
    
    // 彻底挂起系统
    asm volatile("cli");
    while(1) {
        asm volatile("hlt");
    }
}

调试信息的意义：

1. EIP - 显示触发异常的指令位置
2. CS - 显示代码段，验证运行在保护模式
3. ESP - 显示栈指针，帮助调试栈相关问题

开发经验总结

1. 一直遇到 Qemu 界面窗口闪烁，也就是系统一直在重启

• 问题是在于 extern void idt_load(void) 声明的时候是不带参数的，而在 interrupt.asm 汇编中，使用了 mov eax, [esp + 4] ; 获取IDT指针 , IDT 参数加载缺失

其他常见问题

1. 栈帧结构不匹配 - C函数接收到错误参数
2. 段寄存器未设置 - 在保护模式下调用C函数前需要正确设置数据段