Betriebssystembau (BSB): Übung 2 - uni-dortmund.de · 2020-03-02 · sti-Befehl (set interrupt...

Betriebssystembau (BSB)

2. Übung

https://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/WS2017/BSB/

Olaf Spinczyk

[email protected]://ess.cs.tu-dortmund.de/~os

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

mailto:[email protected]

23. Okt 2017 Betriebssystembau: 2. Übung 2

Überblick● C++ Crashkurs (Teil 2)

● Aufgabe 1: Tastatur-Programmierung

● Aufgabe 2: Unterbrechungsbehandlung


C++-Konzepte (Crashkurs Teil 2)● Übersetzungs- und Bindevorgang

● Präprozessor

● Vererbung und Mehrfachvererbung

● Virtuelle Funktionen


C++ - Übersetzungsprozess


Sourcecode - Präprozessor● Zwei Dateiendungen:

– .cc — C++ Source Code

– .h — „Header Files“ mit Definitionen von Datentypen, Konstanten, Präprozessor-Makros etc.

● Die Endungen sind Konvention, aber nicht zwingend– oft z.B. auch .cpp, .hpp o.ä.

● Header-Files werden mit Hilfe des Präprozessors textuell in .cc-Files integriert– #include-Direktive:

● #include <iostream> für System-Headerfiles● #include "device.h" für eigene Headerfiles


Sourcecode - Präprozessor● Weitere Präprozessorfunktionen:

– Makrodefinition, z.B. für Konstanten:● ohne Semikolon am Ende!

– Bedingte Übersetzung:

● Der Präprozessor expandiert Makros im Source Code, fügt Header-Files ein und erzeugt eine neue Textdatei, die der Compiler vorgesetzt bekommt

#define pi 3.1415926#define VGA_BASE 0xb8000

#ifdef DEBUG…#endif

#ifndef VGA_BASE#define VGA_BASE 0xb8000#endif


Sourcecode - Präprozessor● Wichtige Anwendung für #define und #ifndef:

– Verhindern von mehrfacher Inklusion von Header-Dateien● Header-Dateien dürfen wiederum Header-Dateien inkludieren →

Ringschluss …

#ifndef __cgastr_include__#define __cgastr_include__

#include "object/o_stream.h"#include "machine/cgascr.h"

class CGA_Stream /* Hier muesst ihr selbst Code vervollstaendigen */ {/* Hier muesst ihr selbst Code vervollstaendigen */ };#endif


Sourcecode - Compiler● Erzeugt aus vom Präprozessor vorverarbeitetem Source Code

eine Objektdatei (.o)– Diese ist i.A. nicht direkt ausführbar, da noch Referenzen auf

Funktionen oder Variablen in anderen Objektdateien enthalten sein können

● Der Compiler überprüft den Source Code auf Syntaxfehler und erzeugt ggf.– Fehlermeldungen (errors)

– Warnungen (warnings)

● Eine Objektdatei wird nur bei fehlerfreier Übersetzung erzeugt– Warnungen führen nicht zum Abbruch des Übersetzungsvorgangs! Sie

sollten aber beachtet werden …


Sourcecode - Linker● Fasst eine Menge an Objektdateien (.o) sowie ggf. Libraries

(.a, .so) zu einem ausführbaren Programm zusammen:– Auflösung von Referenzen

– Sortierung der einzelnen Teile der Objektdateien im Speicherabbild der ausführbaren Datei

● „Normalerweise“ gibt es zwei Link-Modi:– dynamisch: Libraries werden erst zur Zeit der Ausführung des

Programms zum Objektcode geladen und Referenzen darin aufgelöst

– statisch: Libraries werden zur Link-Zeit in ein komplett ausführbares Programm integriert


Einfache Vererbung● Klasse keyboard_interrupt erbt von Klasse interrupt

● Vererbungsoperator “:” (entspricht “extends” in Java)

class interrupt { …};

#include "interrupt.h"

class keyboard_interrupt : public interrupt {public: keyboard_interrupt(); ~keyboard_interrupt();};

interrupt.h: keyboard_interrupt.h:

interrupt

keyboard_interrupt


Mehrfachvererbung● Klasse keyboard_interrupt erbt von den

Klassen interrupt und keys:

interrupt

keyboard_interrupt

keys

#include "interrupt.h"

class keyboard_interrupt : public interrupt, public keys {public: keyboard_interrupt(); ~keyboard_interrupt();};

keyboard_interrupt.h:


Virtuelle Funktionen● Virtuelle Funktionen sind Funktionen einer Basisklasse.

● Eine abgeleitete Klasse kann sie überschreiben und übernimmt damit die Ausführung der Funktion für ihre Klassenmitglieder. – das funktioniert auch mit nicht virtuellen Funktionen ...

● Das Besondere an virtuellen Funktionen ist, dass das Objekt selbst weiß, zu welcher abgeleiteten Klasse es gehört und seine zugehörige Klassenfunktion ruft.

● Nicht jede Funktion ist standardmäßig virtuell, es muss explizit das Schlüsselwort „virtual“ verwendet werden!(im Gegensatz zu Java)


Virtuelle Funktionen

● Ausgabe:

„Derived“

● ohne das virtual vor void base::display():

„Base“

#include <iostream>

class base {public: virtual void display() { cout << ”Base”; }};

class derived : public base {public: void display() { cout << ”Derived”; }};

void main() { base *ptr = new derived; ptr->display();}


Virtuelle Destruktoren● Es gibt eine Faustregel, die besagt, dass jede Klasse mit

virtuellen Funktionen auch einen virtuellen Destruktor haben soll.

● Da ein nicht virtueller Destruktor nicht gewährleistet, dass abgeleitete Klassen ordnungsgemäß abgebaut werden, kann ein nicht virtueller Destruktor sogar so interpretiert werden, dass der Autor ein Ableiten seiner Klasse nicht vorgesehen hat und wohl auch nicht empfiehlt.


Überblick● C++ Crashkurs (Teil 2)● Aufgabe 1: Tastatur-Programmierung● Aufgabe 2: Unterbrechungsbehandlung


PC-Tastatur● klassisch:

● moderner PC: USB-Tastatur– USB Legacy Support: Ansteuerung funktioniert immer noch zusätzlich

über den Tastaturcontroller (Rückwärtskompatibilität)


Tastenkodierungen● Jede Taste hat eindeutigen Tastencode (Scan-Code)

– Scan-Code ist 7-Bit Zahl (max. 128 Tasten)

● Tastaturcontroller sendet zusätzliche Informationen– Make-Code beim Drücken / Halten einer Taste

– Break-Code beim Loslassen

Darstellung im Programm(und im CGA-Speicher!):Zeichencodes (ASCII)

Darstellung im Programm(und im CGA-Speicher!):Zeichencodes (ASCII)

Darstellung in der Hardware:Tastencodes

Darstellung in der Hardware:Tastencodes


Make- und Break-Codes● Üblicherweise gilt

– Make-Code (Taste gedrückt) = Scan-Code

– Break-Code (Taste losgelassen) = Scan-Code + 128 (Bit 7)

● Einige Tasten senden jedoch mehrere Codes– z.B. Funktionstasten (F1-F12)

– aus historischen Gründen (XT-Tastatur)

– bis zu drei Make/Break-Codes pro Taste

● Eingebaute Wiederholungsfunktion– Hardware sendet zusätzliche Make-Codes,

wenn eine Taste länger gehalten wird

➔ Dekodierung ist mühsam– bei OOStuBS in der Vorgabe enthalten: bool key_decoded()


Datenaustausch mit der Tastatur● Tastaturcontroller wird über zwei E/A-Ports angesprochen

– Ein-/Ausgaberegister (data_port) 0x60

– Steuerregister (ctrl_port) 0x64

data_port

ctrl_port

Keyboard_Controller set_led: LED ein-/ausset_speed: Wiederholungsrate

cpu_reset: Warmstart ...

Make-CodeBreak-Code

Status des Tastatur-Controllers

SchreibenLesen


Status der Tastatur● Statusregister stellt folgende Informationen bereit:


Status der Tastatur - Verwendung

● Aktive Tastaturabfrage (nicht durch Unterbrechungen):– Warten, bis outb in ctrl_port gesetzt ist– Make-/Break-Code vom data_port lesen (löscht ctrl_port.outb)

● Tastatur programmieren (set_led, set_speed)– Befehlsbyte in data_port schreiben– Tastatur antwortet mit ack (0xfa), ggfs. auf Antwort warten (s.o.)– Datenbyte in data_port schreiben (LED-Codes, Repeat-Rate)– Tastatur antwortet mit ack, ggfs. auf Antwort warten


Tastatur programmieren● set_led 0xed, <led_mask> in data_port

● set_speed 0xf3, <config_byte> in data_port

Parameter für set_led Befehl: (led_mask)Parameter für set_led Befehl: (led_mask)

Parameter für set_speed Befehl: (config_byte)Parameter für set_speed Befehl: (config_byte)


Überblick● C++ Crashkurs (Teil 2)● Aufgabe 1: Tastatur-Programmierung● Aufgabe 2: Unterbrechungsbehandlung


Hardware-IRQs bei x86-CPUs● Bis einschließlich i486 hatten x86-CPUs nur einen

Interrupt-Eingang (INT) plus einen NMI-Eingang– INT kann mit dem IE-Bit im Statuswort maskiert werden

● cli-Befehl (clear interrupt enable) – Interruptverarbeitung sperren● sti-Befehl (set interrupt enable) – Interruptverarbeitung freigeben

– NMI kann auf der CPU nicht maskiert werden (sagt ja schon der Name)

● beim PC aber trotzdem durch externe Hardware …

● Externer Controller muss Nummer auf den Bus legen– Beim PC ist das der Programmable Interrupt Controller 8259A

– Datenaustausch zwischen CPU und PIC 8259A erfolgt nach einem festgelegtem Protokoll


Ablauf eines Hardware-IRQ (mit PIC)PIC 8259A IDT Handler <n>CPU (i386)

<n> (8 Bit, Datenbus)

INTA-Pin

Applikation

INT-Pin

<interruption>

INTA-Pin

EOI-Befehl (konfigurationsabhängig)

IRET Befehl

<continue>

Softw

areH

ardw

are


Kaskadierung im PC (15 Interrupts)


x86_64-Interrupt-Deskriptortabelle

IDTRIDTR

● maximal 256 Einträge– Basisadresse und Größe in IDTR

● 16 Byte pro Eintrag (Gate)– Task-Gate (Hardwaretasks)

– Trap-Gate (Ausnahmehandler)

– Interrupt-Gate (Ausnahmehandler + cli)


x86 IDT: Aufbau

Traps Hardware/Software IRQs

0 31 255

IDT

Number Description 0 Divide-by-zero 1 Debug exception 2 Non-Maskable Interrupt (NMI) 3 Breakpoint (INT 3) 4 Overflow 5 Bound exception 6 Invalid Opcode 7 FPU not available 8 Double Fault 9 Coprocessor Segment Overrun 10 Invalid TSS 11 Segment not present 12 Stack exception 13 General Protection 14 Page fault 15 Reserved 16 Floating-point error 17 Alignment Check 18 Machine Check 19-31 Reserved By Intel

– Einträge 0-31 für Traps (fest)

– Trap = Ausnahme, die synchronzum Kontrollfluss auftritt

● Division durch 0● Seitenfehler● Unterbrechungspunkt● ...

– Einträge 32-255 für IRQs (variabel)

● Software (INT <nummer>)● Hardware (INT-Pin der CPU

auf HIGH, Nummer auf Datenbus)


Zustandssicherung● Wenn eine Unterbrechung eintritt, sichert die CPU automatisch einen

Teil des Zustands auf dem Stapel– Aktives Stacksegment (ss)

– Stapelzeiger (rsp)

– condition codes (rflags)

– Aktives Codesegment (cs)

– Rücksprungadresse (rip)

– Bei einer Exception zusätzlichein Fehler-Code Offsets +8!→

● Der automatisch gesicherte Zustand wird bei der Ausführung von iretq zurückgesetzt– verwendet der Handler weitere Register,

so muss er diese selber sichern!

rflags

cs

riprsp

esp + 8

esp + 0

esp + 16

rsp esp + 24

ss

rsp

esp + 32


PIC 8259A – Interner Aufbau

höchste

niedrigste


Zugriff auf die PICs über IO-Ports

Port 0x20

Port 0x21

Master

Port 0xa0

Port 0xa1

Slave

ICW1 (Initialisierung beginnen)OCW2 (EOI, ...)OCW3 (IRR lesen, ISR lesen, ...)

ICW2-4 (Initialisierungsdaten)OCW1 (= IMR)

IRRISROffset

IMR

● Jeder PIC hat zwei Ports, die gelesen/geschrieben werden können

● Schreibdaten: ICW1-4, OCW1-3– ICW = Initialization Control Word – Initialisierung des PICs

– OCW = Operation Control Word – Kommandos im Betrieb

● Lesedaten abhängig von KommandoSchreibenLesen

<wie Master><wie Master>


Initialisierung der PICs – Teil 1OO-Stubs-Einstellung:

00010001

Master

00010001

Slave

OO-Stubs-Einstellung:

00100000

Master

00101000

Slave


Mapping der HW-IRQs (OO-Stubs)

IRQ 0 System Timer IRQ 1 Tastatur (Keyboard) IRQ 2 PIC Kaskadierung IRQ 3 COM 2 IRQ 4 COM 1 IRQ 5 IRQ 6 Floppy IRQ 7 LPT 1 IRQ 8 CMOS Echtzeituhr IRQ 9 (HW-Mapping von IRQ 2) IRQ10 IRQ11 IRQ12 PS/2 IRQ13 numerischer Coprozessor IRQ14 1. IDE Port IRQ15 2. IDE Port

Traps <unbenutzt>

0 255

IDT HW

4732

Standard ATIRQ-BelegungStandard AT

IRQ-Belegung


Initialisierung der PICs – Teil 2OO-Stubs-Einstellung:

00000100

Master

0000010

Slave

OO-Stubs-Einstellung:

00000011

Master

00000011

Slave


Programmierung der PICsInterruptmaske (IMR)

● schreiben und lesen über Port 0x21 / 0xa1

Interruptmaske (IMR)● schreiben und lesen

über Port 0x21 / 0xa1


Interrupthandler in OO-Stubs● Behandlung startet in der Funktion guardian()

– bekommt die IRQ-Nummer als Parameter:

void guardian( unsigned int slot ) { ... // IRQ-Handler (Gate) aktivieren}

– Interrupts sind während der Abarbeitung gesperrt● können mit sti manuell wieder zugelassen werden ● werden automatisch wieder zugelassen, wenn guardian() terminiert

● Die eigentlichen (spezifischen) IRQ-Handler– sind Instanzen der Klasse Gate

– werden an- und abgemeldet über die Klasse Plugbox


Interrupthandler in OO-Stubs

Keyboard

Keyboard_Controller

Key

CPU

PIC Plugbox

guard

Gate

Panic

device

machine

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