开始编写操作系统，第四部分
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实时时钟、可编程中断定时器和键盘控制器。
本系列文章
- 环境设置
- C++ 支持代码和控制台
- 描述符表和中断
- 实时时钟、可编程中断定时器和键盘控制器
引言
读完上一篇文章，你可能会对编写操作系统的庞大范围感到有些畏惧。在某种程度上，你是对的；里面确实有一些非常复杂的部分。但事情并非完全如此。操作系统的某些部分却出奇地简单。其中有四个方面是控制台、RTC、PIT 和键盘。由于我们已经研究了控制台驱动程序，现在有机会研究其他三个了。
我们暂时休息一下，暂缓那些要求较高的内容，以更慢的节奏进行。但是，在初始化一些更有趣的硬件时，我们也需要能够访问 MSRs。文章末尾还有一些重要的、有趣的规范链接，它们将提供大量上下文和硬件细节，这些细节超出了本文的范围，但在故障排除时可能会有所帮助。
RTC
让我们来看看实时时钟（Real-Time Clock）。它是一个简单的时钟，可以在计算机关闭时跟踪当前时间。它由一个小电池供电；在我的电脑上，一直都是纽扣电池（CR2032），但你的情况可能不同。
当然，事情并非这么基础。它还有一个简单的低精度定时器和一个闹钟。构成当前和闹钟时间及日期的信息存储在少量非易失性内存（通常为 256 字节）中，称为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）。我们可以通过输入/输出端口 0x70 和 0x71 访问此内存。
要访问 CMOS，我们需要发送两个字节。第一个字节发送到输出端口 0x70，用于指定我们要访问的寄存器。第二个字节要么从端口 0x71 发送，要么从端口 0x71 读取，它负责写入或读取该寄存器中的字节。
既然我们知道如何读写寄存器，那么知道每个寄存器应该包含什么信息可能会很有用。前十五个字节包含有关 RTC 的信息，之后是有关系统引导状态、配置设置、关机状态和硬盘驱动器信息的信息。本文档教程重要的寄存器如下所示；布局的其他部分可以在 这里 找到。
| 偏移量 | 名称 |
|
0x0 |
秒 |
|
0x2 |
分钟数 |
|
0x4 |
小时数 |
|
0x7 |
日 |
|
0x8 |
月 |
|
0x9 |
年份 |
偏移量 0x6 处还有一个“星期几”字段，但这通常不准确，并且会因 BIOS 的不同而有所差异，这取决于“年份”字段的功能。“年份”字段不存储完整年份（最大值为 256），而是存储最后两位数字。例如，2010 年的“年份”字段将是 10。如果你查看日历，你会发现星期几取决于年份；没有完整的年份，这个字段将是不准确的。顺便说一句，当你开始解析 ACPI 表时，固定 ACPI 描述表（Fixed ACPI Description Table）中（偏移量 108 字节处）的“世纪”（CENTURY）字段将包含 CMOS 中的一个偏移量，你可以用它来创建正确的年份。因此，你可能希望计算星期几，并做出相对安全的假设，即世纪是 20。
理论知识掌握了，现在让我们开始实践。如果你创建一个简单的 `DateTime` 结构体，并支持 `AddXXX` 方法，这样你就可以操作内部字段，那么你就可以轻松地读取正确的字段。
unsigned char readByte(unsigned char offset)
{
outportByte(0x70, offset);
return inportByte(0x71);
}
void writeByte(unsigned char offset, unsigned char value)
{
outportByte(0x70, offset);
outportByte(0x71, value);
}
DateTime *currentDate = new DateTime();
currentDate->Year = readByte(0x9) + 2000;
currentDate->Month = readByte(0x8);
currentDate->Day = readByte(0x7);
currentDate->Hour = readByte(0x4);
currentDate->Minute = readByte(0x2);
currentDate->Second = readByte(0x0);
请注意，我从最大的时间单位开始读取到最小的单位；这是因为如果我们读取端口时时间发生变化，我们的数据就会不准确。虽然 RTC 始终存在一定程度的不准确性，但这可以尽量避免。
当我们考虑精度损失时，我们只读取一次日期和时间。说这是一个问题简直是轻描淡写；我们需要一种方法来始终保持最新。如果我们有多任务处理，那么我们可以通过一个不断轮询端口的线程来解决。但即使这样效率也很低。我们需要的是能够*中断*程序的流程，并在我们需要更新时钟时通知我们。恰好，我们在上一篇教程中已经为此奠定了基础，我们在其中设置了 IRQ 支持。
RTC 的 IRQ 是 8。要启用它，我们只需要设置偏移量 0xB 处字节的第 6 位。过程非常简单，你可能已经猜到了。
unsigned char registerB = readByte(0xB) | 0x40;
installIRQHandler(8, rtcHandler);
writeByte(0xB, registerB);
中断会几乎立即触发，所以我们必须在写入切换中断的字节之前安装一个 IRQ 处理程序。中断的另一个要点是时序。默认频率是 1024 Hz，这意味着它每秒触发 1024 次。可以通过更改偏移量 0xA 处寄存器中低 4 位来更改它。频率的计算方法如下：
frequency = 32768 >> (rate - 1)
我们很容易在每次 IRQ 触发时读取时间，但那样有什么意义呢？我们使用的精度单位是秒，所以我们最终会进行不必要的读写。相反，我们可以每 1024 次*才*读取一次时间。这是一个很大的优化，本身就很好。但是，我们可以做得更进一步。如果我们每秒读取一次时间，我们就已经知道自上次中断以来经过了多久。我们只需要在当前时间上加一秒，让它承担重担（希望你还记得，一秒钟也可能让你进入下一分钟、小时、天、月和年）。
还有一个寄存器。偏移量 0xC 处的寄存器告诉中断处理程序发生了什么。为了接收更多中断，我们需要读取它。无论我们是否对其进行任何操作都无关紧要。
不幸的是，CMOS 寄存器中的一些数据是编码的。虽然并非所有 BIOS 都存在这种情况，但你需要处理它。你可以通过查看偏移量 0xB 处寄存器的第 3 位来检查是否使用了二进制编码的十进制（Binary Coded Decimal）。如果该位被设置，那么你可以照常进行。如果为零，则需要解码构成日期和时间的数据。解码过程非常简单。
unsigned char decoded = ((encoded >> 4) * 10) + (encoded & 0xF);
为了效率起见，你可能想将其放入一个函数或宏中。
当我们把所有这些放在一起时，我们就得到了一个简单的时钟。这是系统中可用的多个时钟之一（RTC、PIT、HPET 和 LAPIC），所以你可能想构建一个健壮的基类，所有计时设备都从中继承。
PIT
Intel 8254，也称为可编程间隔定时器（Programmable Interval Timer），是另一个定时器。然而，与 RTC 不同的是，它允许在中断之间有更精细的时间间隔。它通常用于跟踪秒以及抢占式多任务处理。
其本身的晶体振荡器只能以一种速度运行。然而，它还有三个分频器，允许使用三个任意频率。我们的操作系统在振荡器以给定频率（赫兹）振荡时也会收到通知。频率是硬接线数字除以分频器。这个数字是 119318.2 赫兹，或 1.193862 兆赫兹。之所以如此，是因为计算机的旧部分曾经使用电视振荡器，经过分频和与运算，得出了一个奇特的频率。
尽管 PIC 有三个输出，但我们只有通道 0 和 2 可用。这是因为通道 1 用于刷新某些内存，以防止其丢失状态。在现代计算机中，这不再是必需的，但我们不使用它，因为（与 x86 架构的许多部分一样）如果我们的代码在旧机器上运行，我们会弄乱内存，导致（看似）随机错误。
所以我们的通道是 0 和 2。我们可以将这两个通道用于两种目的：计时和声音。这是一个相对容易设置的设备；我们只需发送一个命令字节，然后是分频器的上半部分和下半部分字节。对于通道 0，此命令字节是 0x36，对于通道 2，此命令字节是 0xB6。因此，要设置通道 0 上的定时器，我们使用此代码：
void activateChannel(unsigned char channel, unsigned int frequency)
{
unsigned int divider = 1193180 / frequency;
outportByte(0x43, channel == 0 ? 0x36 : 0xB6);
outportByte(0x40 + channel, (unsigned char)(divider & 0xFF));
outportByte(0x40 + channel, (unsigned char)((divider >> 8) & 0xFF);
}
从这里我们可以看到，PIT 的基本端口是 0x40。如果我们想使用定时器，我们只需在为 IRQ0 设置 IRQ 后运行此方法，我们将每秒收到频率中断。为了节省时间，你可以将 PIT 和 RTC 连接在一起，这样你只需时不时地检索时间，并在必要的 IRQ 上将当前时间加一秒，而不是使用昂贵的 IO 端口。
如果你尝试使用上面的代码片段激活通道 2，你会注意到在 Microsoft 或 Windows Virtual PC 上，计算机不会停止发出你设置频率的音调。要做到这一点，只需从端口 0x61 读取字节，关闭前两位（& 0xFC），然后将其写回。因此，要发出指定时间的蜂鸣声，你只需要一个 `sleep` 函数，这并不难，留给读者作为练习。
KBC
如果你比平时更仔细地阅读，你会注意到我们正在从这三个驱动程序中最难的移向最容易的。那么，逻辑上，KBC 应该很简单。事实也是如此；你只需要在 IRQ1 上挂载一个中断处理程序。唯一的例外是 Bochs 不总是刷新键盘缓冲区，这可能会干扰命令行提示符。我们可以通过读取端口 0x60 的字节，直到连续出现两个相同的值，来手动完成此操作。
IRQ 处理程序的内容也很简单。你只需从 0x60 读取一个字节（这是接收多个 IRQ 的必要步骤），并将其映射到一个字符。要执行此映射，通常是加载一个文本文件作为模块，并将读取的字节用作索引，或者拥有一大堆字符数组，映射 num lock、caps lock 和 shift 的所有可能组合。然而，你不必通过反复试验来解决这个问题。这个页面包含了你需要创建的键映射的大部分内容；由于我们使用的是 C++ 并且可能希望支持本地化，你可以考虑创建一个派生类，其中包含一个 `TranslateScancode` 方法。但请注意，并非每个字节都对应一个可打印字符。还有其他按键，如 Shift、Tab、Caps lock 和 Fn 键。每个键还有一个“开启”和“关闭”值，用于告知我们在用户按下和释放每个字符时。当用户按下某个键时，中断会一直发生，直到他们松开为止。
如果你决定编写一个引导加载程序，你还可以使用 KBC 来防止对地址高于 1 MiB 的访问发生回绕，方法是使用 A20 网关。目前，我们只需要启用和禁用键盘上的 LED。然而，计算机的逻辑组织仍在继续体现；我们还可以通过将字节 0xFE 写入端口 0x64 来重置计算机。旧有东西难道不妙吗？
所以，要启用 LED，我们向端口 0x60 发送一个命令字节（0xED），后面跟着一个具有精确位格式的字符。
| 位 | 字段大小（位） | 描述 |
| 0 | 1 | 滚动锁定 |
| 1 | 1 | 数字锁定 |
| 2 | 1 | 大写锁定 |
| 3 : 7 | 5 | 未使用 |
这将打开与我们发送到其中一个键盘端口的位对应的 LED。
接下来呢？
我们已经涵盖了我们打算涵盖的所有内容；希望你现在已经有了三个功能齐全的驱动程序，可以在你的内核中使用。从这里，你可以转向多任务处理。然而，我们首先需要涵盖内存管理，以便我们可以为每个进程提供其内存的独立视图，并为我们的程序提供内存。由于我因考试而暂时无法发布下一篇文章，所以喜欢冒险的人可能会想继续阅读，而我将涵盖一些代码片段，填补一个有用的空白，这将使调试更容易。
MSRs
因为将来某个时候你会需要这个代码片段（LAPIC 具有一些非常有趣的特性），这里是一个读取和写入模型特定寄存器（Model Specific Register）的基本代码片段。我们在这里使用 `unsigned long long` 数据类型，因为所有 MSR 都是 64 位宽。
struct MSR
{
public unsigned int Offset;
public void SetValue(unsigned long long value)
{
//EAX contains the bottom 32 bits. EDX contains the top 32 bits. ECX contains the offset
asm volatile ("wrmsr" : : "a"(value >> 32),
"d"(value & 0xFFFFFFFF00000000), "c"(Offset));
}
public unsigned long long GetValue()
{
unsigned int low = 0, high = 0;
asm volatile ("rdmsr" : "=a"(&low),
"=d"(&high) : "c"(Offset));
//We stitch the two halves together to form a 64-bit integer
return (high << 32) | low;
}
};
堆栈跟踪
要理解接下来的代码片段，你需要了解 x86 CDECL 架构的堆栈布局。如果 GCC 决定更改调用约定，你也需要重写此代码。你可以在这里找到一个全面的列表；它稍微超出了本教程的范围，但仍然是推荐阅读的。
//EBP is passed to the exception handler by the CPU
void printStackTrace(unsigned int ebp)
{
unsigned int *stackPosition = (unsigned int *)ebp;
while(stackPosition != 0)
{
//methodLocation is the dereference of EIP
//(which is itself just above EBP on the stack)
unsigned int methodLocation = *(stackPosition + 1);
//You can look methodLocation up to get a method name
writeHexadecimal(methodLocation);
if(*stackPosition != 0)
writeLine();
//Keep derefencing EBP until we reach 0. If you infinite
//loop here, make certain you set EBP to zero in the assembly stub
stackPosition = (unsigned int *)(*stackPosition);
}
}
现在你有了地址列表，你只需要将它们解析为内核符号和方法名。这并不难；你只需要使用 Multiboot 头（你的主函数收到了一个指向它的指针）来获取 ELF 段头字符串表，然后从那里继续处理符号表和字符串表。扫描符号表，直到找到一个覆盖每个值的符号，然后查看字符串表。如果这听起来很复杂，那么不用担心，因为下面有 ELF 规范。
参考文献
- ELF 规范（通用）
- ELF 规范（x86 补充）
- Intel 软件开发者手册（3A，3B），RTC 数据手册
- ACPI 规范