关于Winnt/2k IDT的一些思考

韩冰

文章内容：
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* \( @$ I2 X3 X1 f作者：suxm < suxm@nsfocus.com >
主页：http://www.nsfocus.com
日期：2001-08-13

( b: T0 H6 `9 V' k& C几乎每一个不太守纪律的Windows developer都想在Windows中挂一个ISR，就象在DOS下那样，接管Windows的中断，然后，做一些离奇 的事情。由于ISR是很特殊的程序(常驻性、触发性、Ring0级)，所以有很多很特殊的用途。最基本的用途，应该算是硬件驱动开发了：要 想接管硬件中断，没有ISR是不行的。
迄今为止，在Windows 3.x & 9X下，ISR的编写、调试已经不是秘密了。但是在Winnt/2k下，这还是很痛苦的事情。我听一个国外的哥们 说，他本科毕业论文就是<>， 怎么样，faint了吧？呵呵。
: x2 R" M2 h5 T1 r5 s  K/ {* j/ K让我们先来回忆一下Win9x下ISR是怎么回事(参见我的文章<>)。
3 V2 f" E" Y5 w$ h0 i8 y- UWin9x下，IDT中的每一项，也就是每一个描述符，都定义了256个中断中的一个。还记得实模式下MS-DOS环境中的中断向量表吧（就是 那张从内存的0000：0000开始的向量表，每一个表项有4个字节，一共有256个中断向量）？在保护模式下，中断描述表IDT代替了中断向 量表IVT。虽说中断向量表IDT可以容纳8192个中断描述符，可是CPU能利用的只有处于前面的256个。所以中断描述表（IDT）的长度限 制应该是7FFh（ ），
  K! s+ F! p4 ^5 U
2 A' h; h- X0 b/ k6 @9 K0 v: ]

其实中断描述表（IDT）中可以有两种描述符：Interrupt gate描述符、Trap gate描述符（更确切的应该说有三种：Interrupt gate描述 符、Trap gate描述符、Task gate描述符，但是一般来说是不会包含Task gate描述符的）。图1显示了Trap/Interrupt gate描述符的结构。这里 提到了gate这个词，一般译作“门”。如果有人跟你说起“中断门”，千万不要大惊小怪，“中断门”更形像地直意了中断调用的过程： 中断调用就像就经过一扇门一样，这个门就是中断描述符，因为中断描述符中有DPL等权限盘查的标志，所以要想通过这扇门调用相应的 中断服务程序是需要一定的资格的(CPL<=DPL)。
9 y. {4 U9 K& N) ]Trap和Interrupt gate非常相似，一般来说Trap gate是用来捕获系统异常，而Interrupt gate用来响应中断。在具体的实现上，只有一点不 同：Interrupt gate会将IF置为0，这样可以屏蔽硬件中断。但是Trap gate却不会改变IF的值。
1 ]& `" G8 ~2 F下面的代码示意了如何设置一个键盘中断描述符（interrupt 51h）：
int51 dw kb_int ;keyboard-handler offset
dw kb_sel ;keyboard-handler code selector
db 0
) i' P( w3 T( e  ?& S3 ?( {) xdb 8eh ;386 interrupt-gate
7 K5 [& n4 @! W. b4 U& Qdw 0 ;offset is in first 64KB of segment
是不是有些困惑？为什么键盘中断变成int 51h了？以前在DOS下不是int 9h吗？
这个问题的答案是这样的，由于在保护模式下，有很多中断号分配给了系统异常处理（比如说int 9h分配给了CPU No NPX异常处理）， 所以，硬件中断处理的中断号都作了调整：实模式下的中断号08h——0Fh和70h——77h(即硬件中断号IRQ 0~16)对应着保护模式下的中断 号50h——5Fh。
# A1 H) A+ v. ?# s2 F+ a提问：Win9x中，是如何区分硬件中断IRQ 12和int 5Ch 调用(NetBIOS调用)的呢？
  m' @1 e  D) p$ Q答案：由于IDT的50h——5Fh中断描述符的DPL=0，这是专门用来截获int指令的，而硬件中断不管DPL是多少都可以被调用。Win9x就 是通过这点区别来分辨到底是int 5Ch这条指令还是IRQ 12的硬件中断，从而调用系统服务或ISR。
在单CPU的Winnt下，实模式下的中断号08h——0Fh和70h——77h(即硬件中断号IRQ 0~16)对应着保护模式下的中断号30h——3Fh(看 到有些资料上说Winnt下这个映射关系不是确定的，但是我见过的单CPU的Winnt中基本上都是这样的映射关系，而双CPU的情况下，情况 确实有所不同)。从下面这张统计表(http://www.wischrop-net.de/nt/kapitel7.htm#7_2)可以看到单CPU的情况与双CPU的情况是大不相同 的。
Aladin BasysGate BIG_WWW Hugo_C STAT_02 STAT_13 OTTO SanderD Notebook
IRQL
1 3D 3D
2 41 41
3
4 51 51 51
5 61 61 61
6 71 71
8 G7 |( w/ W7 w8 S1 |, V1 T7 81/82 81/82 81
+ _6 `& Q: W1 u. M7 h0 ~8 91/92 91/92 91/92
9 A2 A2 A1
" K" Q0 @" K1 z10 B1 B1 B1/B2
7 n% B+ G1 q" @) V) e5 }11
, L7 w! o0 ^$ Q# s12 3F
13 3E 3E 3E 3E
$ J# ]. _+ Z/ l14
15 3C 3C 3C 3C 3C
16 3B 3B 3B
4 |, ?/ q6 ^- n+ X17 3A 3A
18 39 39
19
20 37 37 37
21 36 36 36 36 36 36
22 35 35
; G' k/ V6 J% W7 e( d4 w$ L  |23 34 34 34 34 34 34
24 33
) H+ Z1 e0 k4 o25
26 31 31 31 31 31 31
0 D1 \4 q  T5 @3 C) n9 @4 K27 C1 38 C1 38 38 38 38 C1 38
- e7 x  h+ r: O0 f$ n28 D1 30 D1 30 30 30 30 D1 30
4 F: x! Z7 v+ y" ]! B6 t, o9 h29 E1 E1 E1
30 FE/FD FD/FE FD/FE
( C0 K6 J( p* W' f. y31 1F/FF 32 1F/FF 32 32 32 32 1F/FF 32

255 50 50 50
DPL3 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E 2A-2E
4 L1 _4 k6 ?+ M0 f5 ~8 \
机器配置:
9 z6 z; ^3 Y* F& E- ~ALADIN - Dual Pentium II 266 MHz, NT 4.0 (free) SP3
BasysGate - Pentium II 233 MHz, NT 4.0 (free) SP3
% Y6 u. K9 e+ o' pBIG_WWW - Dual Pentium II 266 Mhz, NT 4.0 (free) SP3
Hugo_C - AMD K6 200 Mhz, NT 4.0 (checked) SP1
& F1 I/ g+ Y8 a8 D& f( a% v2 nStat_02 - Pentium 166 MHz, NT 4.0 (free) SP3
Stat_13 - Pentium Pro 200 Mhz, NT 4.0 (free) SP2
OTTO - Pentium II 300 MHz, NT 4.0 (free) SP4
: T& D% Z2 M' ~  O' ^4 r+ p+ VSanderD - Dual Pentium 166 MHz, NT 4.0 (free), SP3
Notebook - Pentium 200 MHz, NT 4.0 (free), SP3
7 C$ N% \7 ?3 f1 m0 k2 n3 _7 G0 {0 U1 y
) M9 c- s- q8 G8 y0 m; D在Win2k下，实模式下的中断号08h----9Fh和70h----77h不再对应着保护模式下的中断号50h------5Fh或30h-----3Fh。那么，究竟是怎样一种 映射关系呢，至今还没有公开的答案。我们可以用HalGetInterruptVector(参见Win2k DDK Help)这个函数获得硬件中断对应于Win2k的 中断号(即IDT中的位置)。但是这不是固定映射的关系，也许明天开机的时候，就会得到不同的返回值。
8 r1 V& O6 F1 I1 V3 Z8 \Win2k下，在SoftIce中用:idt命令可以看到当前系统的IDT状态。
2 v( [+ R* F. j6 ^: e2 _:idt
( D+ \# S8 n: QInt Type Sel:Offset Attributes Symbol/Owner
& r. T7 k1 J+ r! k7 {% TIDTbase=80036400 Limit=07FF 从这里我们可以看到IDT的Base Address和Limit
0000 IntG32 0008:80465946 DPL=0 P ntoskrnl!Kei386EoiHelper+0590
2 q" _) J# j2 s8 l, g) E1 T/ z0001 IntG32 0008:80465A96 DPL=3 P ntoskrnl!Kei386EoiHelper+06E0
% D+ T& Y* X" g/ Y% w- G& z……
00FD IntG32 0008:804646F2 DPL=0 P ntoskrnl!ExReleaseResourceForThread+092
# V- l8 u5 Y1 q00FE IntG32 0008:804646F9 DPL=0 P ntoskrnl!ExReleaseResourceForThread+092
/ }+ m' Y% m& c( M9 m7 w7 j( P00FF IntG32 0008:80464700 DPL=0 P ntoskrnl!ExReleaseResourceForThread+093
" O+ M* j6 @' A: ~0 k从上面的输出我们可以看到在Win2k下，IDT的有效长度还是7FFh，这与前面讲到的Win9x下的IDT的长度是一样的。其实这是由CPU 只能利用IDT的前256项决定的。
在Win2k下，在命令行敲入winmsd.exe，可以看到自己机器上硬件中断号的分布状况。
2 ]) g2 O. S+ z$ `) O
" c' G: x& U6 ]2 e$ @) |

2 r" k7 u( t; V) u4 Q. T5 p提问：IDT表的Base Address怎样得到的呢？
/ S7 G! z6 v) T8 S4 ]2 N答案：sidt指令，比如说sidt [eax]，就是把IDT 寄存器(其中含有IDT的Base Address)中的值放到[eax]指向的地址。请看一下
* f$ o0 z6 M& ?% Rhttp://developer.intel.com/design/intarch/techinfo/Pentium/instform.htm的说明：
9 h1 p. {+ ]) A* v, pSIDT - Store Interrupt Descriptor Table Register
, H5 S! f% o. u7 ^
Guido Wischrop提供了下面的代码可以读取IDT的所有256项。

UCHAR *mBuffer;
3 z! f4 ]6 P3 g8 QULONG dummy;
2 z) k! @: C& \$ }: p+ R……
5 q' R# v1 H! O_asm
{
7 i$ J! @1 F) v# d. i+ Y  Tmov esi,mBuffer
# r' ^# _" A/ Psidt [esi] //load IDTR to *mBuffer
movzx ecx,word ptr [esi] //load size of IDT to ECX
! x) ~4 @6 @/ w% q8 |' J7 qmov ebx,dword ptr [esi+2] //load Base Address of LDT to EBX
inc ecx
8 v. _; G; i+ D8 l) E" Zmov edi,mBuffer //mBuffer is the target
$ |9 @) ]" B) K& q- q8 q) Cmov dummy,ecx //store size in dummy
mov esi,ebx //store IDT Base Address to ESI
6 t1 O; K7 Q& H2 J& B) Sshr ecx,2
rep movsd //copy IDT to mBuffer
' f9 l8 K- V" S% [}

这样我们就可以得到想要的IDT中的某一项，那么，我们是不是可以通过改写内存的方式直接替换相应的IDT表项呢？答案是肯定 的，有人声称这样能成功。我觉是没有太大的必要，因为通过标准的Kernel API调用也可以实现。
我们可以用Windriver生成代码来简单地体会一下挂硬件中断ISR的感觉。
, u- `" l2 m, m: @(1) Windriver---> Driver Wizard---->New Project----->ISA CARD
(2) Interrupts---> New
Interrupt Number = 14(或别的) & Edge Triggered & Shared
(3) Listen to Interrupts
0 Y: h) C" G5 @# C3 i7 b2 u, K# m如果没有出现错误，则表明这个硬件中断可以挂我们的ISR。
+ V: }& ?8 w; E$ o* b- d(4) Generate Code
(5) Build and Run
. Z; y4 ]2 c2 N. t  U7 r/ ]7 q(6) Enable Interrupt
3 j! X5 j7 X4 R* s& m1 _(7) 切换到SoftIce中去(Ctrl + D)，然后敲:intobj命令，可以看到如下的输入信息：
$ \4 |1 }+ y3 I4 F6 S# T:intobj
. _2 Q: F$ u) L, G) \3 r. ^" F0 Q' f" LObject Service Service Affinity
Address Vector Address Context IRQL Mode Mask Symbol
FD349508 31 F7861900 FD4683E0 1A Edge 01 i8042prt!.text+1600
FD348D88 3C F786798C FD35D020 0F Edge 01 i8042prt!PAGEMOUC+020C
FD189708 3D FC8F22C0 00000001 0E Edge 01 WINDRVR!.text+2040
FD48F788 3E FD10FE42 FD4BD030 0D Edge 01 atapi!.text+5AE2
7 h; p# h' |" c; P  S, {! I" Y! aFD34A888 3F FD057AA0 FD34E0DC 0C Level 01 NDIS!PAGENDSM
NTICE: Exit32 PID=70 MOD=ps2_diag

从上面可以看到，0Eh(即14)号硬件中断被映射到了IDT的3Dh项。还不相信吗？好，让我们来测试一下。在SoftIce中敲入如下的指 令：genint 3d，看到什么了？呵呵，屏幕显示如下：
$ d6 y" ]' a' O5 V* b6 z

$ [' P' w  K2 u& b$ m2 K' V
7 z) m3 _4 N6 L# B我们用:genint 3d这条指令模拟了一次硬件中断，结果表明我们的ISR确实是挂在了IDT的3Dh项处。在Softice中再运行几次genint 3d试试 看，屏幕上会输出什么样的结果呢？当然是Got Interrupt0 number 2，Got Interrupt0 number 3之类的信息啦。

一个问题马上被提出来了