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从零开始制作 MyOS（六）

news 2025/12/14 5:09:08

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

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。
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

实现设备异步通知
处理紧急事件
支持多任务调度
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

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
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
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

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0uint8_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）

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：

设置IDT指针（limit和base）
配置异常0的处理程序为isr0
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, 4popasti                 ; 开中断iret                ; 中断返回（不会执行到这里）

寄存器保存的意义：

pusha - 保存EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI
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：