Betriebssystembau (BSB)

Transkript

1 Betriebssystembau (BSB) 2. Übung Olaf Spinczyk AG Eingebettete Systemsoftware Informatik 12, TU Dortmund

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

3 C++-Konzepte (Crashkurs Teil 2) Übersetzungs- und Bindevorgang Präprozessor Vererbung und Mehrfachvererbung Virtuelle Funktionen 3

4 C++ - Übersetzungsprozess 4

5 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 Anweisung: #include <iostream> für System-Headerfiles #include "device.h" für eigene Headerfiles 5

6 Sourcecode - Präprozessor Weitere Präprozessorfunktionen: Makrodefinition, z.b. für Konstanten: ohne Semikolon am Ende! #define pi #define VGA_BASE 0xb8000 Bedingte Übersetzung: #ifdef DEBUG #endif #ifndef VGA_BASE #define VGA_BASE 0xb8000 #endif Der Präprozessor expandiert Makros im Source Code, fügt Header-Files ein und erzeugt eine neue Textdatei, die der Compiler vorgesetzt bekommt 6

7 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 7

8 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... 8

9 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 9

10 Einfache Vererbung Klasse keyboard_interrupt erbt von Klasse interrupt Vererbungsoperator : (entspricht extends in Java) interrupt keyboard_interrupt interrupt.h: keyboard_interrupt.h: class interrupt { }; #include "interrupt.h" class keyboard_interrupt : public interrupt { public: keyboard_interrupt(); ~keyboard_interrupt(); }; 10

11 Mehrfachvererbung Klasse keyboard_interrupt erbt von den Klassen interrupt und keys: keys interrupt keyboard_interrupt keyboard_interrupt.h: #include "interrupt.h" class keyboard_interrupt : public interrupt, public keys { public: keyboard_interrupt(); ~keyboard_interrupt(); }; 11

12 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) 12

13 Virtuelle Funktionen #include <iostream> Ausgabe: Derived ohne das virtual vor void base::display(): Base 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(); } 13

14 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. 14

15 Überblick C++ Crashkurs (Teil 2) Aufgabe 1: Tastatur-Programmierung Aufgabe 2: Unterbrechungsbehandlung 15

16 PC-Tastatur klassisch: moderner PC: USB-Tastatur USB Legacy Support: Ansteuerung funktioniert immer noch zusätzlich über den Tastaturcontroller (Rückwärtskompatibilität) 16

17 Tastenkodierungen Jede Taste hat eindeutigen Tastencode (Scan-Code) Scan-Code ist 7-Bit Zahl (max. 128 Tasten) Darstellung im Programm (und im CGA-Speicher!): Zeichencodes (ASCII) Darstellung in der Hardware: Tastencodes Tastaturcontroller sendet zusätzliche Informationen Make-Code beim Drücken / Halten einer Taste Break-Code beim Loslassen 17

18 Make- und Break-Codes Üblicherweise gilt Make-Code (Taste gedrückt) = Scan-Code Break-Code (Taste losgelassen) = Scan-Code (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() 18

19 Datenaustausch mit der Tastatur Tastaturcontroller wird über zwei E/A-Ports angesprochen Ein-/Ausgaberegister (data_port) 0x60 Steuerregister (ctrl_port) 0x64 Schreiben Lesen Make-Code Break-Code Status des TastaturControllers Keyboard_Controller data_port ctrl_port set_led: LED ein-/aus set_speed: Wiederholungsrate cpu_reset: Warmstart... 19

20 Status der Tastatur Statusregister stellt folgende Informationen bereit: 20

21 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 21

22 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_speed Befehl: (config_byte) 22

23 Überblick C++ Crashkurs (Teil 2) Aufgabe 1: Tastatur-Programmierung Aufgabe 2: Unterbrechungsbehandlung 23

24 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 24

25 Ablauf eines Hardware IRQ (mit PIC) PIC 8259A CPU (i386) Applikation IDT Handler <n> INT-Pin <interruption> Software Hardware INTA-Pin <n> (8 Bit, Datenbus) INTA-Pin EOI-Befehl (konfigurationsabhängig) IRET Befehl <continue> 25

26 Kaskadierung im PC (15 Interrupts) 26

27 i386 Interrupt-Deskriptortabelle (IDT) maximal 256 Einträge Basisadresse und Größe in IDTR 8 Byte pro Eintrag (Gate) Task-Gate (Hardwaretasks) Trap-Gate (Ausnahmehandler) Interrupt-Gate (Ausnahmehandler + cli) IDTR 27

28 i386 IDT: Aufbau 0 IDT Number Traps 255 Hardware/Software IRQs Einträge 0-31 für Traps (fest) Description Divide-by-zero Trap = Ausnahme, die synchron Debug exception zum Kontrollfluss auftritt Non-Maskable Interrupt (NMI) Breakpoint (INT 3) Division durch 0 Overflow Bound exception Seitenfehler Invalid Opcode Unterbrechungspunkt FPU not available Double Fault... Coprocessor Segment Overrun Invalid TSS Segment not present Einträge für Stack exception IRQs (variabel) General Protection Page fault Software (INT <nummer>) Reserved Floating-point error Hardware (INT-Pin der CPU Alignment Check auf HIGH, Nummer auf Machine Check 28 Datenbus) Reserved By Intel

29 Zustandssicherung Wenn eine Unterbrechung eintritt, sichert die CPU automatisch einen Teil des Zustands auf dem Stapel condition codes (eflags) eflags esp + 8 aktives Codesegment (cs) cs esp + 4 Rücksprungadresse (eip) eip esp + 0 Bei einer Exception zusätzlich ein Fehler-Code Offsets +4! esp Der automatisch gesichterte Zustand wird bei der Ausführung von iret zurückgesetzt verwendet der Handler weitere Register, so muss er diese selber sichern! 29

30 PIC 8259A Interner Aufbau höchste niedrigste 30

31 Zugriff auf die PICs über IO-Ports 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 Kommando Lesen IRR ISR Offset IMR Schreiben Master Port 0x20 Port 0x21 ICW1 OCW2 OCW3 (Initialisierung beginnen) (EOI,...) (IRR lesen, ISR lesen,...) ICW2-4 (Initialisierungsdaten) OCW1 (= IMR) Slave <wie Master> Port 0xa0 Port 0xa1 <wie Master> 31

32 Initialisierung der PICs Teil 1 OO-Stubs Einstellung: Master Slave OO-Stubs Einstellung: Master Slave

33 Mapping der HW-IRQs (OO-Stubs) 0 IDT Standard AT IRQ-Belegung Traps <unbenutzt> HW IRQ 0 IRQ 1 IRQ 2 IRQ 3 IRQ 4 System Timer Tastatur (Keyboard) PIC Kaskadierung COM 2 COM 1 IRQ 5 IRQ IRQ IRQ IRQ Floppy LPT 1 CMOS Echtzeituhr (HW-Mapping von IRQ 2) IRQ10 IRQ11 IRQ12 PS/2 IRQ13 numerischer Coprozessor IRQ14 1. IDE Port IRQ15 2. IDE Port 33

34 Initialisierung der PICs Teil 2 OO-Stubs Einstellung: Master Slave OO-Stubs Einstellung: Master Slave

35 Programmierung der PICs Interruptmaske (IMR) schreiben und lesen über Port 0x21 / 0xa1 35

36 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 36

37 Interrupthandler in OO-Stubs 37