《操作系统真象还原》——0.20 BIOS中断、DOS中断、Linux中断的区别

本节书摘来自异步社区《操作系统真象还原》一书中的第0章，第0.20节，作者：郑钢著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

在计算机系统中，无论是在实模式，还是在保护模式，在任何情况下都会有来自外部或内部的事件发生。如果事件来自于cpu内部就称为异常，即exception。例如，cpu在计算算法时，发现分母为0，就抛出了除0异常。如果事件来自于外部，也就是该事件由外部设备发出并通知了cpu，这个事件就称为异常。

bios和dos都是存在于实模式下的程序，由它们建立的中断调用都是建立在中断向量表（interrupt vector table，ivt）中的。它们都是通过软中断指令int 中断号来调用的。

中断向量表中的每个中断向量大小是4字节。这4字节描述了一个中断处理例程（程序）的段基址和段内偏移地址。因为中断向量表的长度为1024字节，故该表最多容纳256个中断向量处理程序。计算机启动之初，中断向量表中的中断例程是由bios建立的，它从物理内存地址0x0000处初始化并在中断向量表中添加各种处理例程。

bios中断调用的主要功能是提供了硬件访问的方法，该方法使对硬件的操作变得简单易行。这句话是否也表明了不通过bios调用也是可以访问硬件的？必须是的，否则bios中断处理程序又是如何操作硬件呢？操作硬件无非是通过in/out指令来读写外设的端口，bios中断程序处理是用来操作硬件的，故该处理程序中一定到处都是in/out指令。

bios为什么添加中断处理例程呢？

（1）给自己用，因为bios也是一段程序，是程序就很可能要重复性地执行某段代码，它直接将其写成中断函数，直接调用多省心。

（2）给后来的程序用，如加载器或boot loader。它们在调用硬件资源时就不需要自己重写代码了。

bios是如何设置中断处理程序的呢？

bios也要调用别人的函数例程。

bios够底层吧？难道它还要依赖别人？是啊，bios也是软件，也要有求于别人。首先硬件厂商为了让自己生产的产品易用，肯定事先写好了一组调用接口，必然是越简单越好，直接给接口函数传一个参数，硬件就能返回一个输出，如果不易用的话，厂商肯定倒闭了。

那这些硬件自己的接口代码在哪里呢？

每个外设，包括显卡、键盘、各种控制器等，都有自己的内存（主板也有自己的内存，bios就存放在里面），不过这种内存都是只读存储器rom。硬件自己的功能调用例程及初始化代码就存放在这rom中。根据规范，第1个内存单元的内容是0x55，第2个存储单元是0xaa，第3个存储单位是该rom中以512字节为单位的代码长度。从第4个存储单元起就是实际代码了，直到第3个存储单元所示的长度为止。

有问题了，cpu如何访问到外设的rom呢？

访问外设有两种方式。

（1）内存映射：通过地址总线将外设自己的内存映射到某个内存区域（并不是映射到主板上插的内存条中）。

（2）端口操作：外设都有自己的控制器，控制器上有寄存器，这些寄存器就是所谓的端口，通过in/out指令读写端口来访问硬件的内存。

控制显卡用的便是内存映射+端口操作的方式，这个以后会在操作显卡时介绍。

从内存的物理地址0xa0000开始到0xfffff这部分内存中，一部分是专门用来做映射的，如果硬件存在，硬件自己的rom会被映射到这片内存中的某处，至于如何映射过去的，咱们暂时先不要深入了，这是硬件完成的工作。

如图0-11所示，bios在运行期间会扫描0xc0000到0xe0000之间的内存，若在某个区域发现前两个字节是0x55和0xaa时，这意味着该区域对应的rom中有代码存在，再对该区域做累加和检查，若结果与第3个字节的值相符，说明代码无误，就从第4个字节进入。这时开始执行了硬件自带的例程以初始化硬件自身，最后，bios填写中断向量表中相关项，使它们指向硬件自带的例程。

中断向量表中第0h～1fh项是bios中断。

有没有新的疑问？外设的内存是如何被映射的？我也不知道，这是早期硬件工程师们大胆且天才的做法，他们在很久以前就解决了。有知道的同学希望你告诉我，哈哈，在这里，我就先当它是我的公设了。

另外，上面说的是bios在填写中断向量表，那该表是谁创建的呢？答案就是cpu原生支持的，不用谁负责创建。之前我曾说过，软件是靠硬件来运行的，软件能实现什么功能，很大程度上取决于硬件提供了哪些支持。软件中只要执行int 中断向量号，cpu便会把向量号当作下标，去中断向量表中定位中断处理程序并执行。

dos是运行在实模式下的，故其建立的中断调用也建立在中断向量表中，只不过其中断向量号和bios的不能冲突。

0x20～0x27是dos中断。因为dos在实模式下运行，故其可以调用bios中断。

dos中断只占用0x21这个中断号，也就是dos只有这一个中断例程。

dos中断调用中那么多功能是如何实现的？是通过先往ah寄存器中写好子功能号，再执行int 0x21。这时在中断向量表中第0x21个表项，即物理地址0x21*4处中的中断处理程序开始根据寄存器ah中的值来调用相应的子功能。

而linux内核是在进入保护模式后才建立中断例程的，不过在保护模式下，中断向量表已经不存在了，取而代之的是中断描述符表（interrupt descriptor table，idt）。该表与中断向量表的区别会在讲解中断时详细介绍。所以在linux下执行的中断调用，访问的中断例程是在中断描述符表中，已不在中断向量表里了。

linux的系统调用和dos中断调用类似，不过linux是通过int 0x80指令进入一个中断程序后再根据eax寄存器的值来调用不同的子功能函数的。再补充一句：如果在实模式下执行int指令，会自动去访问中断向量表。如果在保护模式下执行int指令，则会自动访问中断描述符表。

以上主要对bios中断多介绍了一点，尽管对dos说得不多，不过有了bios中断的表述，相信同学们对dos中断调用也清楚了，其原理介于bios中断调用和linux中断调用之间。后面在实现系统调用时，全是基于linux思想的，所以在此对linux系统调用的介绍点到为止。