一時的なGDTと空のIDTは7日目に設定しましたが，正しくカーネルで使用するGDT/IDTはこれまで設定してきませんでした。今日はGDTとIDTを設定しようと思います。

GDTとIDTは，1 MiB以下の領域に8 KiBずつ領域を予約していましたので，以下の領域を使います。

これまで使用してきたGDTを当面は使用しても問題ないですが，すべてのエントリがRing 0（CPL=0）なので，ユーザランドの処理（Ring 3）には別のGDTエントリが必要です。GDTのエントリは通常はどのような順序でも良いですが，システムコール処理（syscall/sysret）では，データセレクタはコードセレクタ+8で自動設定されるため，以下のようにコード用とデータ用のGDTエントリは連続した場所に設置する必要があります。

    /* Null descriptor */
    gdt_setup_desc_null(&gdt[0]);
    /* Code and data descriptor for each ring */
    gdt_setup_desc(&gdt[1], 0, 0xfffff, code, 0, 1, 0, 1); /* Ring 0 code */
    gdt_setup_desc(&gdt[2], 0, 0xfffff, data, 0, 1, 0, 1); /* Ring 0 data */
    gdt_setup_desc(&gdt[3], 0, 0xfffff, code, 3, 0, 1, 1); /* Ring 3 code */
    gdt_setup_desc(&gdt[4], 0, 0xfffff, data, 3, 0, 1, 1); /* Ring 3 data */
    gdt_setup_desc(&gdt[5], 0, 0xfffff, code, 3, 1, 0, 1); /* Ring 3 code */
    gdt_setup_desc(&gdt[6], 0, 0xfffff, data, 3, 1, 0, 1); /* Ring 3 data */

これまで設定してきたGDTのCPL=3のものを追加しただけなので，詳しくはsrc/kernel/arch/x86_64/desc.cを参照してください。

IDTには，次の3種類のディスクリプタエントリがあります。

• 割り込みゲート：割り込みサービスルーチン (ISR: Interrupt Service Routine) を指定するためのゲート。割り込みハンドラ内では割り込みが自動的に無効化される（EFLAGSのIFがクリアされる）。
• トラップゲート：割り込みや例外を扱うハンドラを設定するゲート。割り込みゲートとほぼ同じだが，割り込みが自動的に無効化されない。
• タスクゲート：GDTのTask State Segment (TSS)を指し示すゲート。TSSを使ったハードウェアタスクスイッチをする場合には使用するが，最近のOSでは通常はソフトウェアタスクスイッチをするため，使用しないことが多い（と思われる）。

IDTは，以下のようにすべての割り込みベクタに対してintr_null割り込みハンドラを設定して初期化します。

struct idtr *
idt_init(void)
{
    struct idtr *idtr;
    int i;

    /* Setup the interrupt gates */
    for ( i = 0; i < IDT_NR; i++ ) {
        idt_setup_intr_gate(i, &intr_null);
    }

    idtr = (struct idtr *)(IDT_ADDR + sizeof(struct idt_gate_desc) * IDT_NR);
    idtr->base = IDT_ADDR;
    idtr->size = IDT_NR * sizeof(struct idt_gate_desc) - 1;

    return idtr;
}

これに対して，idt_setup_intr_gate()関数またはidt_setup_trap_gate()関数で割り込みゲートまたはトラップゲートを設定します。以下の例では，I/O APICと組み合わせて，IRQ 1のキーボード割り込みに対して割り込みハンドラを設定します。

I/O APICのアドレスは通常0xfec00000からです。前回0xfee00000-0xffffffffをリニアマッピングしましたが，今回はさらに2 MiBページ1つ分前までリニアマッピングします。

I/O APICを使う前に，以下のようにIntel 8259 PICを無効化します。

void
ioapic_init(void)
{
    /* Ensure to disable i8259 PIC */
    outb(0xa1, 0xff);
    outb(0x21, 0xff);
}

外部からの割り込みはI/O APICを通してLocal APICにルーティングされます。

I/O APICのレジスタは，MMIOレジスタであるIOREGSELレジスタとIOWINレジスタを通じてアクセスします。これらのMMIOレジスタはI/O APICのベースアドレスから，それぞれ，オフセット0x00 (IOREGSEL)，0x10 (IOWIN)でアクセスできます。IOREGSELは，アクセスするレジスタを選択するセレクタです。IOWINはデータレジスタです。つまり，I/O APICのレジスタに書き込むには，IOREGSELに書き込み対象のレジスタのインデックスを書き込んだ後，IOWINに書き込むデータを書き込みます。

以下のコードは，I/O APICへの割り込みをLocal APICにルーティングする設定を行います。I/O APICへの割り込み番号（IRQ）を第二引数，ルーティング先のLocal APICの割り込み番号を指定します。上述したようにIOREGSELでレジスタを選択した後に，IOWINに値を書き込むため，メモリバリアを入れてコンパイラの最適化でコードの実行順序が変わらないようにしています。

void
ioapic_map_intr(uint64_t intvec, uint64_t tbldst, uint64_t ioapic_base)
{
    uint64_t val;

    /*
     * 63:56    destination field
     * 16       interrupt mask (1: masked for edge sensitive)
     * 15       trigger mode (1=level sensitive, 0=edge sensitive)
     * 14       remote IRR (R/O) (1 if local APICs accept the level interrupts)
     * 13       interrupt input pin polarity (0=high active, 1=low active)
     * 12       delivery status (R/O)
     * 11       destination mode (0=physical, 1=logical)
     * 10:8     delivery mode
     *          000 fixed, 001 lowest priority, 010 SMI, 011 reserved
     *          100 NMI, 101 INIT, 110 reserved, 111 ExtINT
     * 7:0      interrupt vector
     */
    val = intvec;

    sfence();
    *(uint32_t *)(ioapic_base + 0x00) = tbldst * 2 + 0x10;
    sfence();
    *(uint32_t *)(ioapic_base + 0x10) = (uint32_t)val;
    sfence();
    *(uint32_t *)(ioapic_base + 0x00) = tbldst * 2 + 0x10 + 1;
    sfence();
    *(uint32_t *)(ioapic_base + 0x10) = (uint32_t)(val >> 32);
}

I/O APICのIOREDTBLレジスタが割り込みルーティングを設定します。IOREDTBL（下位32ビットのIOREDTBL_LOWおよび上位32ビットのIOREDTBL_HIGH）は割り込み番号Nに対して，

IOREDTBL_LOW(N) = 0x10 + N * 2
IOREDTBL_HIGH(N) = 0x11 + N * 2

で決定されます。IOREDTBLの各ビットの意味は上記コードのコメントの通りですが，今回はinterrupt vector（Local APICの割り込み番号）のフィールド以外は0にします。destination fieldも0にしているため，ここでせ設定した割り込みはBSPのLocal APICにルーティングされます。

今回は試しにキーボード割り込み（IRQ 1）をLocal APICの割り込みベクタ0x21に割り当てます。また，この割り込みベクタに対して，src/kernel/arch/x86_64/asm.Sで定義したintr_irqを割り込みハンドラとして設定します。その設定はsrc/kernel/arch/x86_64/arch.cのうち，以下の部分です。

    ioapic_map_intr(0x21, 1, acpi->ioapic_base);

    /* Test interrupt */
    idt_setup_intr_gate(0x21, intr_irq1);

この割り込みハンドラは以下のように80x25のディスプレイの右下に入力したキーを表示するプログラムです。

/* Interrupt handler for IRQ1 */
_intr_irq1:
    pushq	%rax
    pushq	%rcx
    pushq	%rdx
    /* Print the key to the bottom right */
    xorl	%eax,%eax
    inb	$0x60,%al
    testb	$0x80,%al
    jnz	1f		/* Key released */
    movl	$keymap_base,%edx	/* Use base keymap */
    addl	%eax,%edx
    movb	(%edx),%al
    movb	$0x07,%ah
    movw	%ax,(0xb8000+80*25*2-2)
1:
    /* APIC EOI */
    movq	$MSR_APIC_BASE,%rcx
    rdmsr			/* Read APIC info to [%edx:%eax]; N.B., higer */
                /*  32 bits of %rax and %rdx are cleared */
                /*  bit [35:12]: APIC Base, [11]: EN */
                /*  [10]: EXTD, and [8]:BSP */
    shlq	$32,%rdx
    addq	%rax,%rdx
    andq	$0xfffffffffffff000,%rdx        /* APIC Base */
    movl	$0,0x0b0(%rdx)       /* EOI */
    popq	%rdx
    popq	%rcx
    popq	%rax
    iretq

このコードのうち

    /* APIC EOI */
    movq	$MSR_APIC_BASE,%rcx
    rdmsr			/* Read APIC info to [%edx:%eax]; N.B., higer */
                /*  32 bits of %rax and %rdx are cleared */
                /*  bit [35:12]: APIC Base, [11]: EN */
                /*  [10]: EXTD, and [8]:BSP */
    shlq	$32,%rdx
    addq	%rax,%rdx
    andq	$0xfffffffffffff000,%rdx        /* APIC Base */
    movl	$0,0x0b0(%rdx)       /* EOI */

は，Intel 8259 PICのEnd-of-Interruptの通知と同様に，APICに割り込みハンドラの終了を通知する処理です。

今日はGDTとIDTを設定し，I/O APICと組み合わせてキーボード割り込みハンドラを実装しました。明日は，Ring 3でコードを実行する予定です。24日までにタスクスイッチをできたらいいな……。