操作系统 -- 第一个C函数

前面我们为调用Cosmos 的第一个C函数hal_start做了大量的工作，本节要让操作系统Cosmos里的第一个C语言真正跑起来。

继续在hal_start函数里，首先执行板级初始化，其实就是hal层(硬件抽象层，下同)初始化，其中执行了平台初始化、hal层的内存初始化、中断初始化，最后进入到内核层的初始化。

ps:

• 嵌入式系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化、系统级初始化
• 片级初始化：完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式、嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态，这是一个纯硬件的初始化过程
• 板式初始化：完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化，另外，还需要设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程
• 系统初始化：以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口

第一个C函数

这是第一个C函数，也是初始化函数，建立hal_start.c文件，代码如下：

void hal_start()
{
    //第一步：初始化hal层
    //第二步：初始化内核层
    for(;;);
    return;
}

Cosmos是由hal层和内核层之分，所以上述代码中，要分两步走：

• 1、初始化hal层
• 2、初始化内核层

然而最后的死循环却有点奇怪，其实它的目的很简单，就是避免这个函数返回，因为这个返回了就无处可去，避免走回头路。

hal层初始化

为了分离硬件的特性，设计了hal层，把硬件相关的操作集中在这个层，并向上提供接口，目的是让内核上层不用关注硬件相关的细节，也能方便以后移植和扩展。

我们系统的内核结构：

建立halinit.c文件，写hal层的初始化函数。

void init_hal()
{
    //初始化平台
    //初始化内存
    //初始化中断
    return;
}

主要完成初始化平台、初始化内存、初始化终端的功能函数。

初始化平台

平台初始化函数，主要负责两个任务：

• 1、把二级引导器建立的机器信息结构复制到hal层中的一个全局变量中，方便内核中的其他代码使用里面的信息，周游二级引导器建立的数据所占用的内存都会被释放
• 2、要初始化图形显示驱动，内核在运行过程要在屏幕上输出信息

建立halplatform.c文件，代码如下：

void machbstart_t_init(machbstart_t *initp)
{
    //清零
    memset(initp, 0, sizeof(machbstart_t));
    return;
}

void init_machbstart()
{
    machbstart_t *kmbsp = &kmachbsp;
    machbstart_t *smbsp = MBSPADR;//物理地址1MB处
    machbstart_t_init(kmbsp);
    //复制，要把地址转换成虚拟地址
    memcopy((void *)phyadr_to_viradr((adr_t)smbsp), (void *)kmbsp, sizeof(machbstart_t));
    return;
}
//平台初始化函数
void init_halplaltform()
{
    //复制机器信息结构
    init_machbstart();
    //初始化图形显示驱动
    init_bdvideo();
    return;
}

kmachbsp它是个结构体变量，结构体类型是machbstart_t，这个结构跟二级引导器所使用的一模一样。同时它还是一个hal层的全局变量。

建立halglobal.c用于专门定义所有hal层的全局变量，代码如下：

//全局变量定义变量放在data段
#define HAL_DEFGLOB_VARIABLE(vartype,varname) \
EXTERN  __attribute__((section(".data"))) vartype varname

HAL_DEFGLOB_VARIABLE(machbstart_t,kmachbsp);

前面的 EXTERN，在 halglobal.c 文件中定义为空，而在其它文件中定义为 extern，告诉编译器这是外部文件的变量，避免发生错误。

init_bdvideo函数：

void init_bdvideo()
{
    dftgraph_t *kghp = &kdftgh;
    //初始化图形数据结构，里面放有图形模式，分辨率，图形驱动函数指针
    init_dftgraph();
    //初始bga图形显卡的函数指针
    init_bga();
    //初始vbe图形显卡的函数指针
    init_vbe();
    //清空屏幕 为黑色
    fill_graph(kghp, BGRA(0, 0, 0));
    //显示背景图片
    set_charsdxwflush(0, 0);
    hal_background();
    return;
}

init_dftgraph() 函数初始了 dftgraph_t 结构体类型的变量 kdftgh，我们在 halglobal.c 文件中定义这个变量，结构类型我们这样来定义。

typedef struct s_DFTGRAPH
{
    u64_t gh_mode;         //图形模式
    u64_t gh_x;            //水平像素点
    u64_t gh_y;            //垂直像素点
    u64_t gh_framphyadr;   //显存物理地址
    u64_t gh_fvrmphyadr;   //显存虚拟地址
    u64_t gh_fvrmsz;       //显存大小
    u64_t gh_onepixbits;   //一个像素字占用的数据位数
    u64_t gh_onepixbyte;
    u64_t gh_vbemodenr;    //vbe模式号
    u64_t gh_bank;         //显存的bank数
    u64_t gh_curdipbnk;    //当前bank
    u64_t gh_nextbnk;      //下一个bank
    u64_t gh_banksz;       //bank大小
    u64_t gh_fontadr;      //字库地址
    u64_t gh_fontsz;       //字库大小
    u64_t gh_fnthight;     //字体高度
    u64_t gh_nxtcharsx;    //下一字符显示的x坐标
    u64_t gh_nxtcharsy;    //下一字符显示的y坐标
    u64_t gh_linesz;       //字符行高
    pixl_t gh_deffontpx;   //默认字体大小
    u64_t gh_chardxw;
    u64_t gh_flush;
    u64_t gh_framnr;
    u64_t gh_fshdata;      //刷新相关的
    dftghops_t gh_opfun;   //图形驱动操作函数指针结构体
}dftgraph_t;
typedef struct s_DFTGHOPS
{
    //读写显存数据
    size_t (*dgo_read)(void* ghpdev,void* outp,size_t rdsz);
    size_t (*dgo_write)(void* ghpdev,void* inp,size_t wesz);
    sint_t (*dgo_ioctrl)(void* ghpdev,void* outp,uint_t iocode);
    //刷新
    void   (*dgo_flush)(void* ghpdev);
    sint_t (*dgo_set_bank)(void* ghpdev, sint_t bnr);
    //读写像素
    pixl_t (*dgo_readpix)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
    void   (*dgo_writepix)(void* ghpdev,pixl_t pix,uint_t x,uint_t y);
    //直接读写像素
    pixl_t (*dgo_dxreadpix)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
    void   (*dgo_dxwritepix)(void* ghpdev,pixl_t pix,uint_t x,uint_t y);
    //设置x，y坐标和偏移
    sint_t (*dgo_set_xy)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
    sint_t (*dgo_set_vwh)(void* ghpdev,uint_t vwt,uint_t vhi);
    sint_t (*dgo_set_xyoffset)(void* ghpdev,uint_t xoff,uint_t yoff);
    //获取x，y坐标和偏移
    sint_t (*dgo_get_xy)(void* ghpdev,uint_t* rx,uint_t* ry);
    sint_t (*dgo_get_vwh)(void* ghpdev,uint_t* rvwt,uint_t* rvhi);
    sint_t (*dgo_get_xyoffset)(void* ghpdev,uint_t* rxoff,uint_t* ryoff);
}dftghops_t;
//刷新显存
void flush_videoram(dftgraph_t *kghp)
{
    kghp->gh_opfun.dgo_flush(kghp);
    return;
}

我们正是把这些实际的图形驱动函数的地址填入了这个结构体中，然后通过这个结构体，我们就可以调用到相应的函数了

要把这些函数调用起来,代码如下：

//在halinit.c文件中
void init_hal()
{
    init_halplaltform();
    return;
}
//在hal_start.c文件中
void hal_start()
{
    init_hal();//初始化hal层，其中会调用初始化平台函数，在那里会调用初始化图形驱动
    for(;;);
    return;
}

效果展示：

初始化内存

新建halmm.c文件，用于初始化内存，也为后面的内存管理做好准备。

hal层的内存初始化比价容易，只要向内存管理器提供内存空间布局信息就可以了。

虽然，在二级引导器中已经获取过了内存布局信息，但是Cosmos的内存管理器需要保存更多的信息，最好是顺序的内存布局信息，这样可以增加额外的功能属性，同时降低代码的复杂度。

不难发现，BIOS 提供的结构无法满足前面这些要求。不过我们也有办法解决，只要以 BIOS 提供的结构为基础，设计一套新的数据结构就搞定了。这个结构可以这样设计。

#define PMR_T_OSAPUSERRAM 1
#define PMR_T_RESERVRAM 2
#define PMR_T_HWUSERRAM 8
#define PMR_T_ARACONRAM 0xf
#define PMR_T_BUGRAM 0xff
#define PMR_F_X86_32 (1<<0)
#define PMR_F_X86_64 (1<<1)
#define PMR_F_ARM_32 (1<<2)
#define PMR_F_ARM_64 (1<<3)
#define PMR_F_HAL_MASK 0xff

typedef struct s_PHYMMARGE
{
    spinlock_t pmr_lock;//保护这个结构是自旋锁
    u32_t pmr_type;     //内存地址空间类型
    u32_t pmr_stype;
    u32_t pmr_dtype;    //内存地址空间的子类型，见上面的宏
    u32_t pmr_flgs;     //结构的标志与状态
    u32_t pmr_stus;
    u64_t pmr_saddr;    //内存空间的开始地址
    u64_t pmr_lsize;    //内存空间的大小
    u64_t pmr_end;      //内存空间的结束地址
    u64_t pmr_rrvmsaddr;//内存保留空间的开始地址
    u64_t pmr_rrvmend;  //内存保留空间的结束地址
    void* pmr_prip;     //结构的私有数据指针，以后扩展所用
    void* pmr_extp;     //结构的扩展数据指针，以后扩展所用
}phymmarge_t;

有些情况下内核要另起炉灶，不想把所有的内存空间都交给内存管理器去管理，所以要保留一部分内存空间，这就是上面结构中那两个 pmr_rrvmsaddr、pmr_rrvmend 字段的作用。

有了数据结构，写代码就来操作他

u64_t initpmrge_core(e820map_t *e8sp, u64_t e8nr, phymmarge_t *pmargesp)
{
    u64_t retnr = 0;
    for (u64_t i = 0; i < e8nr; i++)
    {
        //根据一个e820map_t结构建立一个phymmarge_t结构
        if (init_one_pmrge(&e8sp[i], &pmargesp[i]) == FALSE)
        {
            return retnr;
        }
        retnr++;
    }
    return retnr;
}
void init_phymmarge()
{
    machbstart_t *mbsp = &kmachbsp;
    phymmarge_t *pmarge_adr = NULL;
    u64_t pmrgesz = 0;
    //根据machbstart_t机器信息结构计算获得phymmarge_t结构的开始地址和大小
    ret_phymmarge_adrandsz(mbsp, &pmarge_adr, &pmrgesz);
    u64_t tmppmrphyadr = mbsp->mb_nextwtpadr;
    e820map_t *e8p = (e820map_t *)((adr_t)(mbsp->mb_e820padr));
    //建立phymmarge_t结构
    u64_t ipmgnr = initpmrge_core(e8p, mbsp->mb_e820nr, pmarge_adr);
    //把phymmarge_t结构的地址大小个数保存machbstart_t机器信息结构中
    mbsp->mb_e820expadr = tmppmrphyadr;
    mbsp->mb_e820exnr = ipmgnr;
    mbsp->mb_e820exsz = ipmgnr * sizeof(phymmarge_t);
    mbsp->mb_nextwtpadr = PAGE_ALIGN(mbsp->mb_e820expadr + mbsp->mb_e820exsz);
    //phymmarge_t结构中地址空间从低到高进行排序，我已经帮你写好了
    phymmarge_sort(pmarge_adr, ipmgnr);
    return;
}

结合上面的代码，你会发现这是根据 e820map_t 结构数组，建立了一个 phymmarge_t 结构数组，init_one_pmrge 函数正是把 e820map_t 结构中的信息复制到 phymmarge_t 结构中来

把这些函数，用一个总管函数调动起来，这个总管函数叫什么名字好呢？当然是 init_halmm，如下所示。

void init_halmm()
{
    init_phymmarge();
    //init_memmgr();
    return;
}

这里 init_halmm 函数中还调用了 init_memmgr 函数，这个正是这我们内存管理器初始化函数，我会在内存管理的那节课展开讲。而 init_halmm 函数将要被 init_hal 函数调用。

初始化中断

根据原因的类型不同，中断被分为两类。

• 异常
  
  异常，这是同步的，原因是错误和故障，就像汽车引擎坏了。不修复错误就不能继续运行，所以这时，CPU 会跳到这种错误的处理代码那里开始运行，运行完了会返回。
  
  为啥说它是同步的呢？这是因为如果不修改程序中的错误，下次运行程序到这里同样会发生异常。

• 中断
  
  中断，这是异步的，我们通常说的中断就是这种类型，它是因为外部事件而产生的，就好像旅游时女朋友来电话了。通常设备需要 CPU 关注时，会给 CPU 发送一个中断信号，所以这时 CPU 会跳到处理这种事件的代码那里开始运行，运行完了会返回。
  
  由于不确定何种设备何时发出这种中断信号，所以它是异步的。

在 x86 CPU 上，最多支持 256 个中断，还记得前面所说的中断表和中断门描述符吗，这意味着我们要准备 256 个中断门描述符和 256 个中断处理程序的入口。

下面来定义它：

typedef struct s_GATE
{
        u16_t   offset_low;     /* 偏移 */
        u16_t   selector;       /* 段选择子 */
        u8_t    dcount;         /* 该字段只在调用门描述符中有效。如果在利用调用门调用子程序时引起特权级的转换和堆栈的改变，需要将外层堆栈中的参数复制到内层堆栈。该双字计数字段就是用于说明这种情况发生时，要复制的双字参数的数量。*/
        u8_t    attr;           /* P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) */
        u16_t   offset_high;    /* 偏移的高位段 */
        u32_t   offset_high_h;
        u32_t   offset_resv;
}__attribute__((packed)) gate_t;
//定义中断表
HAL_DEFGLOB_VARIABLE(gate_t,x64_idt)[IDTMAX];

会发现，中断表其实是个 gate_t 结构的数组，由 CPU 的 IDTR 寄存器指向，IDTMAX 为 256。

但是光有数组还不行，还要设置其中的数据，下面我们就来设计这个函数，建立一个文件 halsgdidt.c，在其中写一个函数，代码如下。

//vector 向量也是中断号
//desc_type 中断门类型，中断门，陷阱门
//handler 中断处理程序的入口地址
//privilege 中断门的权限级别
void set_idt_desc(u8_t vector, u8_t desc_type, inthandler_t handler, u8_t privilege)
{
    gate_t *p_gate = &x64_idt[vector];
    u64_t base = (u64_t)handler;
    p_gate->offset_low = base & 0xFFFF;
    p_gate->selector = SELECTOR_KERNEL_CS;
    p_gate->dcount = 0;
    p_gate->attr = (u8_t)(desc_type | (privilege << 5));
    p_gate->offset_high = (u16_t)((base >> 16) & 0xFFFF);
    p_gate->offset_high_h = (u32_t)((base >> 32) & 0xffffffff);
    p_gate->offset_resv = 0;
    return;
}

上面的代码，正是按照要求，把这些数据填入中断门描述符中的。有了中断门之后，还差中断入口处理程序，中断入口处理程序只负责这三件事：

• 1、保护 CPU 寄存器，即中断发生时的程序运行的上下文。
• 2、调用中断处理程序，这个程序可以是修复异常的，可以是设备驱动程序中对设备响应的程序。
• 3、恢复 CPU 寄存器，即恢复中断时程序运行的上下文，使程序继续运行。

以上这些操作又要用汇编代码才可以编写，我觉得这是内核中最重要的部分，所以我们建立一个文件，并用 kernel.asm 命名。

我们先来写好完成以上三个功能的汇编宏代码，避免写 256 遍同样的代码，代码如下所示。

//保存中断后的寄存器
%macro  SAVEALL  0
  push rax
  push rbx
  push rcx
  push rdx
  push rbp
  push rsi
  push rdi
  push r8
  push r9
  push r10
  push r11
  push r12
  push r13
  push r14
  push r15
  xor r14,r14
  mov r14w,ds
  push r14
  mov r14w,es
  push r14
  mov r14w,fs
  push r14
  mov r14w,gs
  push r14
%endmacro
//恢复中断后寄存器
%macro  RESTOREALL  0
  pop r14
  mov gs,r14w
  pop r14
  mov fs,r14w
  pop r14
  mov es,r14w
  pop r14
  mov ds,r14w
  pop r15
  pop r14
  pop r13
  pop r12
  pop r11
  pop r10
  pop r9
  pop r8
  pop rdi
  pop rsi
  pop rbp
  pop rdx
  pop rcx
  pop rbx
  pop rax
  iretq
%endmacro
//保存异常下的寄存器
%macro  SAVEALLFAULT 0
  push rax
  push rbx
  push rcx
  push rdx
  push rbp
  push rsi
  push rdi
  push r8
  push r9
  push r10
  push r11
  push r12
  push r13
  push r14
  push r15
  xor r14,r14
  mov r14w,ds
  push r14
  mov r14w,es
  push r14
  mov r14w,fs
  push r14
  mov r14w,gs
  push r14
%endmacro
//恢复异常下寄存器
%macro  RESTOREALLFAULT  0
  pop r14
  mov gs,r14w
  pop r14
  mov fs,r14w
  pop r14
  mov es,r14w
  pop r14
  mov ds,r14w
  pop r15
  pop r14
  pop r13
  pop r12
  pop r11
  pop r10
  pop r9
  pop r8
  pop rdi
  pop rsi
  pop rbp
  pop rdx
  pop rcx
  pop rbx
  pop rax
  add rsp,8
  iretq
%endmacro
//没有错误码CPU异常
%macro  SRFTFAULT 1
  push    _NOERRO_CODE
  SAVEALLFAULT
  mov r14w,0x10
  mov ds,r14w
  mov es,r14w
  mov fs,r14w
  mov gs,r14w
  mov   rdi,%1 ;rdi, rsi
  mov   rsi,rsp
  call   hal_fault_allocator
  RESTOREALLFAULT
%endmacro
//CPU异常
%macro  SRFTFAULT_ECODE 1
  SAVEALLFAULT
  mov r14w,0x10
  mov ds,r14w
  mov es,r14w
  mov fs,r14w
  mov gs,r14w
  mov   rdi,%1
  mov   rsi,rsp
  call   hal_fault_allocator
  RESTOREALLFAULT
%endmacro
//硬件中断
%macro  HARWINT  1
  SAVEALL
  mov r14w,0x10
  mov ds,r14w
  mov es,r14w
  mov fs,r14w
  mov gs,r14w
  mov  rdi, %1
  mov   rsi,rsp
  call    hal_intpt_allocator
  RESTOREALL
%endmacro

其中最重要的只有两个指令：push、pop，这两个正是用来压入寄存器和弹出寄存器的，正好可以用来保存和恢复 CPU 所有的通用寄存器。

有的 CPU 异常，CPU 自动把异常码压入到栈中，而有的 CPU 异常没有异常码，为了统一，我们对没有异常码的手动压入一个常数，维持栈的平衡。

有了中断异常处理的宏，我们还要它们变成中断异常的处理程序入口点函数。汇编函数其实就是一个标号加一段汇编代码，C 编译器把 C 语言函数编译成汇编代码后，也是标号加汇编代码，函数名就是标号。

下面我们在 kernel.asm 中写好它们：

//除法错误异常 比如除0
exc_divide_error:
  SRFTFAULT 0
//单步执行异常
exc_single_step_exception:
  SRFTFAULT 1
exc_nmi:
  SRFTFAULT 2
//调试断点异常
exc_breakpoint_exception:
  SRFTFAULT 3
//溢出异常
exc_overflow:
  SRFTFAULT 4
//段不存在异常
exc_segment_not_present:
  SRFTFAULT_ECODE 11
//栈异常
exc_stack_exception:
  SRFTFAULT_ECODE 12
//通用异常
exc_general_protection:
  SRFTFAULT_ECODE 13
//缺页异常
exc_page_fault:
  SRFTFAULT_ECODE 14
hxi_exc_general_intpfault:
  SRFTFAULT 256
//硬件1～7号中断
hxi_hwint00:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+0)
hxi_hwint01:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+1)
hxi_hwint02:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+2)
hxi_hwint03:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+3)
hxi_hwint04:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+4)
hxi_hwint05:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+5)
hxi_hwint06:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+6)
hxi_hwint07:
  HARWINT  (INT_VECTOR_IRQ0+7)

有了中断处理程序的入口地址，下面我们就可以在 halsgdidt.c 文件写出函数设置中断门描述符了，代码如下。

void init_idt_descriptor()
{
//一开始把所有中断的处理程序设置为保留的通用处理程序
    for (u16_t intindx = 0; intindx <= 255; intindx++)
    {
        set_idt_desc((u8_t)intindx, DA_386IGate, hxi_exc_general_intpfault, PRIVILEGE_KRNL);
    }
    set_idt_desc(INT_VECTOR_DIVIDE, DA_386IGate, exc_divide_error, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_DEBUG, DA_386IGate, exc_single_step_exception, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_NMI, DA_386IGate, exc_nmi, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_BREAKPOINT, DA_386IGate, exc_breakpoint_exception, PRIVILEGE_USER);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_OVERFLOW, DA_386IGate, exc_overflow, PRIVILEGE_USER);
//篇幅所限，未全部展示
    set_idt_desc(INT_VECTOR_PAGE_FAULT, DA_386IGate, exc_page_fault, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 0, DA_386IGate, hxi_hwint00, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 1, DA_386IGate, hxi_hwint01, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 2, DA_386IGate, hxi_hwint02, PRIVILEGE_KRNL);
    set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 3, DA_386IGate, hxi_hwint03, PRIVILEGE_KRNL);
    //篇幅所限，未全部展示
     return;
}

上面的代码已经很明显了，一开始把所有中断的处理程序设置为保留的通用处理程序，避免未知中断异常发生了 CPU 无处可去，然后对已知的中断和异常进一步设置，这会覆盖之前的通用处理程序，这样就可以确保万无一失。

下面我们把这些代码整理一下，安装到具体的调用路径上，让上层调用者调用到就好了。

我们依然在 halintupt.c 文件中写上 init_halintupt() 函数：

void init_halintupt()
{
    init_idt_descriptor();
    init_intfltdsc();
    return;
}

到此为止，CPU 体系层面的中断就初始化完成了。你会发现，我们在 init_halintupt() 函数中还调用了 init_intfltdsc() 函数，这个函数是干什么的呢?

我们先来设计一下 Cosmos 的中断处理框架，后面我们把中断和异常统称为中断，因为它们的处理方式相同。

前面我们只是解决了中断的 CPU 相关部分，而 CPU 只是响应中断，但是并不能解决产生中断的问题。

比如缺页中断来了，我们要解决内存地址映射关系，程序才可以继续运行。再比如硬盘中断来了，我们要读取硬盘的数据，要处理这问题，就要写好相应的处理函数。

因为有些处理是内核所提供的，而有些处理函数是设备驱动提供的，想让它们和中断关联起来，就要好好设计中断处理框架了。

描述中断框架的设计：

可以看到，中断、异常分发器的左侧的东西我们已经处理完成，下面需要写好中断、异常分发器和中断异常描述符。

typedef struct s_INTFLTDSC{
    spinlock_t  i_lock;
    u32_t       i_flg;
    u32_t       i_stus;
    uint_t      i_prity;        //中断优先级
    uint_t      i_irqnr;        //中断号
    uint_t      i_deep;         //中断嵌套深度
    u64_t       i_indx;         //中断计数
    list_h_t    i_serlist;      //也可以使用中断回调函数的方式
    uint_t      i_sernr;        //中断回调函数个数
    list_h_t    i_serthrdlst;   //中断线程链表头
    uint_t      i_serthrdnr;    //中断线程个数
    void*       i_onethread;    //只有一个中断线程时直接用指针
    void*       i_rbtreeroot;   //如果中断线程太多则按优先级组成红黑树
    list_h_t    i_serfisrlst;
    uint_t      i_serfisrnr;
    void*       i_msgmpool;     //可能的中断消息池
    void*       i_privp;
    void*       i_extp;
}intfltdsc_t;

上面结构中，记录了中断的优先级。因为有些中断可以稍后执行，而有的中断需要紧急执行，所以要设计一个优先级。其中还有中断号，中断计数等统计信息。

中断可以由线程的方式执行，也可以是一个回调函数，该函数的地址放另一个结构体中，这个结构体我已经帮你写好了，如下所示。

typedef drvstus_t (*intflthandle_t)(uint_t ift_nr,void* device,void* sframe); //中断处理函数的指针类型
typedef struct s_INTSERDSC{
    list_h_t    s_list;        //在中断异常描述符中的链表
    list_h_t    s_indevlst;    //在设备描述描述符中的链表
    u32_t       s_flg;
    intfltdsc_t* s_intfltp;    //指向中断异常描述符
    void*       s_device;      //指向设备描述符
    uint_t      s_indx;
    intflthandle_t s_handle;   //中断处理的回调函数指针
}intserdsc_t;

如果内核或者设备驱动程序要安装一个中断处理函数，就要先申请一个 intserdsc_t 结构体，然后把中断函数的地址写入其中，最后把这个结构挂载到对应的 intfltdsc_t 结构中的 i_serlist 链表中。

你可能要问了，为什么不能直接把中断处理函数放在 intfltdsc_t 结构中呢，还要多此一举搞个 intserdsc_t 结构体呢？

这是因为我们的计算机中可能有很多设备，每个设备都可能产生中断，但是中断控制器的中断信号线是有限的。你可以这样理解：中断控制器最多只能产生几十号中断号，而设备不止几十个，所以会有多个设备共享一根中断信号线。

这就导致一个中断发生后，无法确定是哪个设备产生的中断，所以我们干脆让设备驱动程序来决定，因为它是最了解设备的。

这里我们让这个 intfltdsc_t 结构上的所有中断处理函数都依次执行，查看是不是自己的设备产生了中断，如果是就处理，不是则略过。

明白了这两个结构之后，我们就要开始初始化了。首先是在 halglobal.c 文件定义 intfltdsc_t 结构。

//定义intfltdsc_t结构数组大小为256
HAL_DEFGLOB_VARIABLE(intfltdsc_t,machintflt)[IDTMAX];

来实现中断、异常分发器函数，如下所示

//中断处理函数
void hal_do_hwint(uint_t intnumb, void *krnlsframp)
{
    intfltdsc_t *ifdscp = NULL;
    cpuflg_t cpuflg;
    //根据中断号获取中断异常描述符地址
    ifdscp = hal_retn_intfltdsc(intnumb);
    //对断异常描述符加锁并中断
    hal_spinlock_saveflg_cli(&ifdscp->i_lock, &cpuflg);
    ifdscp->i_indx++;
    ifdscp->i_deep++;
    //运行中断处理的回调函数
    hal_run_intflthandle(intnumb, krnlsframp);
    ifdscp->i_deep--;
    //解锁并恢复中断状态
    hal_spinunlock_restflg_sti(&ifdscp->i_lock, &cpuflg);
    return;
}
//异常分发器
void hal_fault_allocator(uint_t faultnumb, void *krnlsframp)
{
    //我们的异常处理回调函数也是放在中断异常描述符中的
    hal_do_hwint(faultnumb, krnlsframp);
    return;
}
//中断分发器
void hal_hwint_allocator(uint_t intnumb, void *krnlsframp)
{
    hal_do_hwint(intnumb, krnlsframp);
    return;
}

前面的代码确实是按照我们的中断框架设计实现的，下面我们去实现 hal_run_intflthandle 函数，它负责调用中断处理的回调函数。

void hal_run_intflthandle(uint_t ifdnr, void *sframe)
{
    intserdsc_t *isdscp;
    list_h_t *lst;
    //根据中断号获取中断异常描述符地址
    intfltdsc_t *ifdscp = hal_retn_intfltdsc(ifdnr);
    //遍历i_serlist链表
    list_for_each(lst, &ifdscp->i_serlist)
    {
        //获取i_serlist链表上对象即intserdsc_t结构
        isdscp = list_entry(lst, intserdsc_t, s_list);
        //调用中断处理回调函数
        isdscp->s_handle(ifdnr, isdscp->s_device, sframe);
    }
    return;
}

循环遍历 intfltdsc_t 结构中，i_serlist 链表上所有挂载的 intserdsc_t 结构，然后调用 intserdsc_t 结构中的中断处理的回调函数。

初始化中断控制器

我们把 CPU 端的中断搞定了以后，还有设备端的中断，这个可以交给设备驱动程序，但是 CPU 和设备之间的中断控制器，还需要我们出面解决。

多个设备的中断信号线都会连接到中断控制器上，中断控制器可以决定启用或者屏蔽哪些设备的中断，还可以决定设备中断之间的优先线，所以它才叫中断控制器。

x86 平台上的中断控制器有多种，最开始是 8259A，然后是 IOAPIC，最新的是 MSI-X。为了简单的说明原理，我们选择了 8259A 中断控制器。

8259A 在任何 x86 平台上都可以使用，x86 平台使用了两片 8259A 芯片，以级联的方式存在。它拥有 15 个中断源（即可以有 15 个中断信号接入）。让我们看看 8259A 在系统上的框架图：

上面直接和 CPU 连接的是主 8259A，下面的是从 8259A，每一个 8259A 芯片都有两个 I/O 端口，我们可以通过它们对 8259A 进行编程。主 8259A 的端口地址是 0x20，0x21；从 8259A 的端口地址是 0xA0，0xA1。

下面我们来做代码初始化，我们程序员可以向 8259A 写两种命令字： ICW 和 OCW；ICW 这种命令字用来实现 8259a 芯片的初始化。而 OCW 这种命令用来向 8259A 发布命令，以对其进行控制。OCW 可以在 8259A 被初始化之后的任何时候被使用。

我已经把代码定好了，放在了 8259.c 文件中

void init_i8259()
{
    //初始化主从8259a
    out_u8_p(ZIOPT, ICW1);
    out_u8_p(SIOPT, ICW1);
    out_u8_p(ZIOPT1, ZICW2);
    out_u8_p(SIOPT1, SICW2);
    out_u8_p(ZIOPT1, ZICW3);
    out_u8_p(SIOPT1, SICW3);
    out_u8_p(ZIOPT1, ICW4);
    out_u8_p(SIOPT1, ICW4);
    //屏蔽全部中断源
    out_u8_p(ZIOPT1, 0xff);
    out_u8_p(SIOPT1, 0xff);
    return;
}

这里你只要在 init_halintupt() 函数的最后，调用这个函数就行。你有没有想过，既然我们是研究操作系统不是要写硬件驱动，为什么要在初始化中断控制器后，屏蔽所有的中断源呢？因为我们 Cosmos 在初始化阶段还不能处理中断。

进入内核层

由于内核层是从 hal 层进入的，必须在 hal_start() 函数中被调用，所以在此完成这个函数——init_krl()。

void init_krl()
{
    //禁止函数返回
    die(0);
    return;
}

在 hal_start() 函数中调用它就行了，如下所示

void hal_start()
{
    //初始化Cosmos的hal层
    init_hal();
    //初始化Cosmos的内核层
    init_krl();
    return;
}

不难发现 Cosmos 的 hal 层初始化完成后，就自动进入了 Cosmos 内核层的初始化