一、本章说明

1. 前置知识

请先阅读：

本章在 lesson13 基础上，把键盘输入从 CPU 空转轮询 升级为 IRQ1 硬件中断驱动。

2. 本章目标

完成本章后，我们将能够：

• 构造 IDT（中断描述符表），用 LIDT 告诉 CPU 中断向量对应的处理程序
• 初始化 8259A PIC（ICW1~4 重映射、IMR 屏蔽），把 IRQ 映射到向量 32~47
• 编写 IRQ1 键盘中断处理程序：读 0x60 扫描码、写入环形缓冲、向 PIC 发 EOI
• 在 init_keyboard 末尾 STI 开中断，read_char 用 HLT 休眠 等待按键，不再占用 CPU
• 理解 8253 PIT 三通道、端口 0x40~0x43 及与 PIC IRQ0 的关系（本章屏蔽 IRQ0，下一章启用）

3. 目录结构

lesson14/
├── Makefile
├── boot/
│   ├── loader.s        # 与 lesson13 相同：读盘 + 进保护模式
│   └── pm.inc          # 段/门描述符宏
├── kernel/
│   ├── kernel.c        # 欢迎语 + 提示符 + 键盘回显（同 lesson13）
│   ├── utilities.s     # IDT + PIC + IRQ1 + 环形缓冲
│   └── utilities.h
└── README.md

4. 与 lesson13 的差异

项目	lesson13	lesson14
读键方式	循环 IN 0x64 轮询	IRQ1 中断 + 环形缓冲
IDT	无	256 项 IDT，注册向量 33
PIC	无	8259 重映射 + 仅开放 IRQ1
CPU 等待	空转轮询 .wait	缓冲优先；空则读 8042（Bochs 兜底）
8042	0xAE + 0xF4	额外 置命令字节 bit0 允许键盘中断
kernel.c	相同	相同

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二、IDT：中断来了跳去哪

1. 为什么需要 IDT

在实模式下，中断发生时 CPU 会去内存前 1KB 的 IVT（中断向量表） 寻找 4 字节的 CS:IP。但进入保护模式后，IVT 宣告失效，取而代之的是 IDT（Interrupt Descriptor Table）。

中断门描述符（Interrupt Gate）的硬件细节

IDT 数组中存放的每一项都是一个 8 字节（64位） 的门描述符。其硬件内存布局如下：

31                16 15  14 13 12  11  8 7    5 4        0
+---------------------+---+-----+---+-----+---+---+--------+
|   Offset 31:16      | P | DPL | 0 | Type| 0 | 0 |Reserved| 高 32 位
+---------------------+---+-----+---+-----+---+---+--------+
|   Segment Selector  |           Offset 15:0              | 低 32 位
+---------------------+------------------------------------+

• Offset (31:0)：中断处理程序（ISR）在内存中的 32 位绝对物理地址（分为高 16 位和低 16 位拼凑）。
• Segment Selector (15:0)：目标代码段的选择子。在平坦模型内核中，这里恒为内核代码段选择子 0x08（GDT 的第 1 项）。
• Type (11:8)：对于 32 位中断门，此字段固定为 0xE（即二进制 1110）。
• DPL (14:13)：特权级。内核中断设为 00。当发生硬件中断时，即使当前 CPU 处于用户态（DPL=3），也能无缝切入内核态执行。
• P (15)：有效位。置 1 表示该中断门有效。

门描述符里保存：

字段	含义
目标偏移	处理程序入口 EIP
段选择子	处理程序所在代码段（平坦模式下为 8）
类型	0x8E = 32 位中断门（进入 ISR 时自动清 IF）

用 LIDT 加载 IDTR（基址 + 界限），与 LGDT 加载 GDT 类似。

2. 向量号布局

范围	用途
0 ~ 31	CPU 保留异常（#DE、#GP、#PF …）
32 ~ 47	常见 OS 把 8259 PIC 的 IRQ0~15 映射到此
48 ~ 255	软件中断、其他设备

IRQ 与向量不是同一个概念： 键盘占 IRQ1 这条硬件线；经 PIC 重映射后，对应 中断向量 33（0x20 + 1）。8259A 的端口、ICW/OCW、IMR、EOI 等详见 第三节。

3. 代码：注册 IRQ1 门描述符

utilities.s 中预留 256×8 字节的 idt，只填写向量 33 一项：

SELECTOR_CODE equ 8
IRQ1_VECTOR   equ 33          ; PIC 重映射后 IRQ1 → 0x21

idt:      times 256 * 8 db 0
idt_ptr:
    dw idt_end - idt - 1
    dd idt

init_idt:
    MOV  EAX, irq1_handler
    MOV  WORD [idt + IRQ1_VECTOR * 8 + 0], AX      ; 偏移低 16 位
    MOV  WORD [idt + IRQ1_VECTOR * 8 + 2], SELECTOR_CODE
    MOV  BYTE [idt + IRQ1_VECTOR * 8 + 5], 0x8E  ; 32 位中断门
    SHR  EAX, 16
    MOV  WORD [idt + IRQ1_VECTOR * 8 + 6], AX      ; 偏移高 16 位
    LIDT [idt_ptr]
    RET

pm.inc 中的 Gate 宏 可静态生成门描述符；本章仅注册一项，直接在内存里写字段更直观。

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三、8259A 可编程中断控制器（PIC）

1. 8259A 是什么

8259A（Programmable Interrupt Controller，可编程中断控制器）是 IBM PC/AT 时代的经典芯片，用来管理 外部设备中断。

CPU 只有一条 INTR 中断请求输入线，外设却有键盘、时钟、磁盘、串口等多路信号。8259A 的作用就是：

1. 汇聚 多条 IRQ 线；
2. 按 优先级 决定先响应哪一路；
3. 向 CPU 拉 INTR；
4. CPU 响应后，通过 INTA 周期告知 IRQ 编号；
5. OS 把 IRQ 编号换算成 中断向量号，再查 IDT 跳转。

历史说明： 现代多核 PC 已普遍改用 APIC / IOAPIC，8259A 在物理机上多由芯片组模拟或仅用于兼容模式。但在 Bochs、QEMU 教学环境以及《30天自制操作系统》等入门路线中，8259A 仍是理解 「外设 IRQ → 向量号 → IDT」 的最佳起点。

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2. 主从级联：最多 15 路 IRQ

一片 8259A 有 8 条 IRQ 输入（IRQ0~IRQ7）。PC/AT 通过 级联 再挂第二片，形成 主片 + 从片：

芯片	I/O 端口	管理 IRQ
主片（Master）	命令 0x20 / 数据 0x21	IRQ0~7
从片（Slave）	命令 0xA0 / 数据 0xA1	IRQ8~15

从片的 INTR 输出接到 主片的 IRQ2，因此主片 IRQ2 被占用为「级联线」，实际可用 15 路 外设中断（IRQ0_1、37、8~15）。

本章键盘走主片 IRQ1，EOI 只需写主片命令端口 0x20。

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3. IRQ 线 vs 中断向量号

初学者容易混淆的两个概念：

概念	含义	键盘例子
IRQ 线	硬件请求线编号（8259A 输入脚）	IRQ1
中断向量号	CPU 查 IDT 用的下标（0~255）	由 PIC 配置决定

8259A 只决定「哪条 IRQ 线对应哪个向量号」；CPU 拿到向量号后再查 IDT。因此 PIC 映射 与 IDT 注册 必须一致。

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3.1 为什么必须「重映射」（本章最核心）

这是本章最容易让初学者遭遇 Triple Fault（三重故障 → 重启） 的知识点。

致命隐患：向量号冲突

IBM PC 在设计之初留下了一个历史包袱：实模式下，BIOS 默认把 8259A 主片 IRQ0~7 映射到中断向量 8~15。

然而 Intel 在设计 80386 保护模式时规定：向量 0~31 强制保留给 CPU 内部异常（如 0 为除零、13 为 #GP、14 为 #PF）。

硬件引脚	BIOS 默认向量	保护模式下 CPU 的理解	灾难后果
IRQ0（时钟）	0x08	#DF（Double Fault 双重故障）	时钟一触发，CPU 误以为发生双重故障，直接崩溃重启
IRQ1（键盘）	0x09	协处理器段超越（历史保留异常）	敲击键盘也会撞上异常区；IDT 空门 → #GP → #DF → Triple Fault
IRQ2（级联）	0x0A	#TS（Invalid TSS）	从片相关中断同样踩雷
…	11~15	#NP / #SS / #GP / #PF / 保留	任意未屏蔽 IRQ 都可能引爆

BIOS 默认映射一览：

IRQ	默认向量号
IRQ0	8
IRQ1	9
IRQ2	10
…	…
IRQ7	15
IRQ8	16
…	…
IRQ15	23

8253 PIT 以约 18.2 Hz 周期拉高 IRQ0。若不重映射就 STI，时钟中断会以向量 8 进入 IDT——而这正是 #DF 的槽位。空门描述符 → #GP → 再 #DF → Triple Fault 重启。键盘 IRQ1→9 同理。

解药：ICW 四步握手，整体后移到 32~47

为避开 0~31 的雷区，必须向主片端口（0x20/0x21）和从片端口（0xA0/0xA1）按固定顺序发送 ICW（Initialization Command Words），把外部中断整体映射到 向量 32~47：

步骤	命令字	本章典型值	作用
1	ICW1	0x11 → 0x20/0xA0	启动初始化，级联模式，需要 ICW4
2	ICW2	主片 0x20、从片 0x28	向量基址：IRQ0→32，IRQ8→40
3	ICW3	主片 0x04、从片 0x02	主片 IRQ2 接从片，从片编号 2
4	ICW4	0x01	8086 模式（x86 必备）
之后	IMR	主片 0xFD、从片 0xFF	仅开放 IRQ1，其余全屏蔽

重映射后的布局（本章做法，基址 0x20）：

IRQ	新向量号	典型设备
IRQ0	32	8253 PIT Channel 0（系统 tick，见 第四节；本章 IMR 屏蔽）
IRQ1	33	8042 键盘（本章开放，IDT[33] 已注册）
IRQ2	34	级联从片
…	…	…
IRQ15	47	各类外设

向量范围	用途
0 ~ 31	CPU 保留异常（#DE、#DF、#GP、#PF 等）——外设 IRQ 绝不能落在这里
32 ~ 47	8259A 重映射后的 IRQ0~15
48 ~ 255	软件中断 / 其他设备

结论： 任何进入保护模式的 OS，都必须在 STI 之前 对 8259A 执行完整的 ICW1~4 重映射。本章 PIC_REMAP equ 1，详细位域与代码见下文 §5、§6；踩坑记录见 第十节。

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4. 端口与寄存器组

8259A 通过 4 个 I/O 端口 访问，每个端口读写含义由 命令字 决定：

端口	写	读
0x20	主片 命令（OCW/ICW 首字节）	主片 ISR/IRR（需 OCW3）
0x21	主片 数据（ICW2~4、IMR）	主片 IMR
0xA0	从片 命令	从片 ISR/IRR
0xA1	从片 数据	从片 IMR

4.1 两类控制字

在微机原理与接口技术（特别是可编程中断控制器 8259A）中，在系统启动或复位后,要对 8259A 芯片的工作模式进行一次性配置，建立其基础的工作框架，即ICW，全称是 Initialization Command Words，中文称为初始化命令字。

ICW 的核心功能与分类

8259A 共有 4 个初始化命令字（ICW1 ~ ICW4），它们需要严格按照顺序写入，分别负责不同的基础配置：

• ICW1（基本功能设置）：决定中断请求的触发方式（边沿触发或电平触发）、设置是单片工作还是多片级联模式，并指示是否需要写入 ICW4。
• ICW2（中断向量设置）：用于设置中断向量基地址（中断类型码的起始地址）。CPU 收到中断后，会根据这个基地址和中断引脚的编号找到对应的中断服务程序。
• ICW3（级联控制字）：仅在多片 8259A 级联时使用。主片用它来标识哪些 IRQ 引脚连接了从片；从片用它来标识自己在级联系统中的编号。
• ICW4（高级方式控制）：用于配置更高级的系统行为，例如选择 CPU 系统模式（如 8086 模式）、设置中断结束方式（如自动 EOI）、缓冲模式以及全嵌套方式等。

ICW 与 OCW 的区别

与 ICW 对应的是 OCW（Operation Command Words，操作命令字）。两者的主要区别在于：

• ICW（初始化命令字）：属于一次性配置。在系统上电或复位时按严格顺序写入，决定了芯片的底层基础架构，初始化完成后一般不再改动。
• OCW（操作命令字）：属于运行时控制。在芯片初始化完成后的正常工作期间，可以随时写入，用于动态控制中断行为，例如动态屏蔽/开放某个中断（OCW1）、发送中断结束命令 EOI（OCW2）或读取内部状态等。
  结合你上一轮提供的汇编代码，init_pic 函数中向 0x20 和 0x21 等端口连续写入的 0x11、0x20、0x28 等字节，正是严格按照顺序写入的 ICW1 到 ICW4，用于重新映射（Remap）主从 8259A 的中断向量基地址。

类型	名称	何时使用
ICW	Initialization Command Word	初始化 时按 ICW1→ICW4 顺序写入
OCW	Operation Command Word	运行中 屏蔽 IRQ、读状态、发 EOI 等

初始化完成后，再写 0x11 等 ICW 值会破坏芯片状态，须重新初始化。

4.2 内部关键寄存器（不必直接读，理解即可）

寄存器	全称	作用
IRR	Interrupt Request Register	外设拉高了 IRQ 线，对应 bit 置 1
ISR	In-Service Register	CPU 已开始处理的中断，对应 bit 置 1
IMR	Interrupt Mask Register	1 = 屏蔽 该 IRQ，0 = 允许

优先级（默认）： IRQ0 最高，IRQ7 最低；从片 IRQ8~15 整体优先级介于主片 IRQ1 与 IRQ2 之间（具体与 ICW4 配置有关）。

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5. 初始化命令字 ICW1 ~ ICW4

8259A 上电后必须按固定顺序初始化。本章 init_pic 对 主从各写一遍。

ICW1 — 启动初始化（写命令端口）

向 0x20 / 0xA0 写 0x11：

位	值	含义
D0	1	需要 ICW4
D1	1	级联模式（非单片）
D4	1	固定特征位，必须是 1

写 ICW1 后，芯片进入初始化状态，自动屏蔽所有 IRQ，并准备接收后续 ICW。

ICW2 — 中断向量基址（写数据端口）

芯片	写入端口	本章值	含义
主片	0x21	0x20	IRQ0→32，IRQ1→33，…
从片	0xA1	0x28	IRQ8→40，IRQ9→41，…

写入的是 IRQ0 / IRQ8 对应的向量号，后续 IRQ 依次 +1。

ICW3 — 级联关系（写数据端口）

芯片	本章值	含义
主片	0x04	bit2=1 → IRQ2 上接从片
从片	0x02	从片在中片级联链上的编号为 2

ICW4 — 附加模式（写数据端口）

向 0x21 / 0xA1 写 0x01：

位	值	含义
D0	1	8086/8088 模式（必须，AT 架构）

未设置此项时，EOI、向量格式可能与 x86 保护模式不兼容。

初始化后立刻设置 IMR

ICW 序列结束后，通过 IMR 决定哪些 IRQ 能进来。写 数据端口 0x21 / 0xA1：

    ; 主片：仅开放 IRQ1（键盘）
    MOV  AL, 0xFD          ; 二进制 11111101，bit1=0 → IRQ1 开放
    OUT  0x21, AL
    ; 从片：全部屏蔽
    MOV  AL, 0xFF
    OUT  0xA1, AL

IMR 位含义： bit N = 1 表示 屏蔽 IRQN；0 表示 允许。

值	bit1	IRQ1 键盘
0xFF	1	屏蔽
0xFD	0	开放

为何要屏蔽 IRQ0 等： 本章 IDT 只注册了向量 33。若 IRQ0（时钟）未屏蔽且触发，CPU 会跳到空的 IDT 项 → triple fault。

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6. 完整 init_pic 与 ICW 对照

init_pic:
    ; ICW1
    MOV  AL, 0x11
    OUT  0x20, AL          ; 主片
    OUT  0xA0, AL          ; 从片

    ; ICW2：向量基址
    MOV  AL, 0x20
    OUT  0x21, AL          ; 主片 IRQ0 → 32
    MOV  AL, 0x28
    OUT  0xA1, AL          ; 从片 IRQ8 → 40

    ; ICW3：级联
    MOV  AL, 0x04
    OUT  0x21, AL          ; 主片 IRQ2 接从片
    MOV  AL, 0x02
    OUT  0xA1, AL          ; 从片编号 2

    ; ICW4：8086 模式
    MOV  AL, 0x01
    OUT  0x21, AL
    OUT  0xA1, AL

    ; IMR：仅开放 IRQ1
    MOV  AL, 0xFD
    OUT  0x21, AL
    MOV  AL, 0xFF
    OUT  0xA1, AL
    RET

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7. 一次键盘中断的完整流程

1. 8042 收到扫描码，置 OBF，若命令字节 bit0=1 则向 PIC IRQ1 发请求。
2. PIC 置 IRR 相应位，若未被 IMR 屏蔽且优先级足够，向 CPU 拉 INTR。
3. CPU 完成当前指令且 IF=1，响应中断，经 INTA 从 PIC 取得 向量 33。
4. CPU 查 IDT[33]，压栈 CS/EIP/EFLAGS，跳转 irq1_handler。
5. ISR 读 0x60（必须读，否则 8042 不会发下一次中断），写环形缓冲，发 EOI。
6. IRET 恢复现场；若主线程在 HLT，此时被唤醒。

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8. EOI（End Of Interrupt）

中断处理程序结束前，必须通知 PIC：当前这一级 IRQ 已服务完毕，否则 ISR 位一直置位，同级或更低优先级中断可能被阻塞。

非特定 EOI（本章使用）

    MOV  AL, 0x20
    OUT  0x20, AL          ; 主片：结束优先级最高的那一条 in-service 中断

键盘 IRQ1 接 主片，写 0x20 命令端口 即可。

特定 EOI（了解）

若需明确结束某一条 IRQ，可写 0x20 | IRQ号 到主/从片命令端口，例如结束 IRQ1：OUT 0x20, 0x21。多 IRQ 并发、嵌套中断时才常用；本章单 IRQ 场景用 0x20 足够。

从片 IRQ 的 EOI

若中断来自 从片（IRQ8~15），须 先 向从片发 EOI，再 向主片发 EOI（因为 IRQ2 级联）。键盘 IRQ1 在主片，无需 写 0xA0。

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9. 运行期 OCW 操作（本章未用，供扩展）

操作	做法
屏蔽某 IRQ	读 IMR → 置对应 bit → 写回 0x21/0xA1
开放某 IRQ	读 IMR → 清对应 bit → 写回
读 IRR/ISR	先写 OCW3 到命令端口，再从命令端口读

例如开放 IRQ0 定时器（须先注册 IDT[32] 并初始化 PIT，见 第四节 8253）：

    IN   AL, 0x21
    AND  AL, 0xFE          ; 清 bit0，开放 IRQ0
    OUT  0x21, AL

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10. BIOS 默认 vs 本章重映射

场景	IRQ1 向量	IDT 应注册	是否写 ICW
BIOS 实模式 / 未 remap	9	IDT[9]	否
本章保护模式 OS	33	IDT[33]	是

常见错误： 执行了 init_pic 重映射，IDT 却仍注册向量 9；或 未 重映射，IDT 注册 33。按键后 CPU 跳到 未注册的门 → triple fault 或「无反应」（视环境而定）。

调试时可对照 tools/bochsout.txt：若 IF=1 且 EIP 停在 HLT，多为 8042 未开中断位 或 IMR 仍屏蔽 IRQ1；若按键立刻重启，优先查 向量号与 IDT 是否一致。

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四、8253 可编程间隔定时器（PIT）

1. 8253 是什么

8253（Programmable Interval Timer，可编程间隔定时器）是 PC 上负责 硬件计时 的经典芯片；后续 8254 与其 pin 兼容、功能相近，BIOS/OS 文档里常统称 PIT。

它内部有 3 个独立的 16 位计数器（通道 Channel 0~2），对固定 输入时钟 分频，在计数到设定值时改变输出电平，或向 8259A PIC 的 IRQ0 发中断请求。

与 8259A 的关系： 8253 不产生 CPU 向量，只拉 IRQ0 线；向量号仍由 PIC 决定（BIOS 默认 8，重映射后 32）。下一章做 定时器中断 / sleep / 调度 时，通常同时配置 PIT + IDT[32] + 开放 PIC IRQ0。

本章为何屏蔽 IRQ0： init_pic 写 IMR 0xFD 屏蔽 IRQ0，因为尚未注册 向量 32 的处理程序；若开放，约 18.2 次/秒 的 IRQ0 会触发 triple fault。

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2. 输入时钟与 3 个通道

2.1 输入频率

PC 上 PIT 输入时钟固定为：

$f_{\text{in}}=1193182\text{Hz}\approx 1193182\text{Hz}$

（即 ISA 总线时钟 14.31818 MHz 经 12 分频。）

输出频率：

$f_{\text{out}}=\frac{1193182}{\text{分频值 }N}$

分频值 N 为 16 位，范围 1 ~ 65535。例如 N = 65535 时：

$f\approx \frac{1193182}{65535}\approx 18.2\text{Hz}$

即 约每 55ms 中断一次——BIOS 默认 Channel 0 常用此量级，也是 DOS 时代 INT 08h 系统时钟 tick 的来源。

2.2 三个通道在 PC 上的用途

通道	I/O 数据端口	PC/AT 典型用途	本章
0	0x40	系统定时器 → PIC IRQ0	被 IMR 屏蔽
1	0x41	历史：DRAM 刷新（现代几乎不用）	未使用
2	0x42	PC 扬声器（与 0x61 bit0 Gate 配合）	未使用

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3. I/O 端口

端口	方向	含义
0x40	读/写	Channel 0 计数寄存器
0x41	读/写	Channel 1 计数寄存器
0x42	读/写	Channel 2 计数寄存器
0x43	写	控制字（选择通道、模式、读/写方式）

注意： 三个数据端口 共用 一套「先写控制字、再写分频值」的协议；必须先向 0x43 写入 控制字，再向 0x40/0x41/0x42 写入 16 位分频值（低字节、高字节顺序由控制字决定）。

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4. 控制字（Control Word）格式

向 0x43 写入 1 字节 控制字，格式如下：

  7   6   5   4   3   2   1   0
┌───┬───┬───────┬───────────────┐
│ SC│ RW│  MODE │     BCD       │
└───┴───┴───────┴───────────────┘

字段	位	含义
SC	7~6	选择通道：00=Ch0，01=Ch1，10=Ch2，11=读回命令
RW	5~4	读/写方式：00=锁存，01=仅低字节，10=仅高字节，11=先低后高
MODE	3~1	工作模式 0~5
BCD	0	0=二进制计数，1=BCD（PC 上恒用 0）

示例： 配置 Channel 0、先写低字节再写高字节、Mode 3、二进制：

$\text{SC=00},\text{RW=11},\text{MODE=011},\text{BCD=0}$
$\Rightarrow 0x0011011_2=0x36$

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5. 六种工作模式（MODE 0~5）

模式	名称	典型用途
0	中断结束计数	一次性定时，到时输出高电平
1	硬件可重触发单稳	脉冲宽度由计数值决定
2	速率发生器	周期性分频，计数到 1 时输出一个周期低脉冲
3	方波发生器	Channel 0 默认：对称方波，占空比约 50%
4	软件触发选通	写入计数值后启动
5	硬件触发选通	外部 Gate 触发

Channel 0 系统时钟 几乎总是 Mode 3（方波）：输出在 0/1 间周期性翻转，每个周期可在 OUT 下降沿 触发 IRQ0（具体边沿与模式有关；BIOS 默认配置下约 18.2 Hz 进 IRQ0）。

Mode 2（速率发生器）也常见于 OS 自行初始化 PIT 时（如 Linux 早期 tick）。

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6. 初始化 Channel 0 示例（下一章参考）

下列代码 本章未使用；演示如何把 PIT 设为 约 100 Hz，并配合 PIC/IDT 开放 IRQ0：

; 1193182 / 100 ≈ 11932
PIT_HZ      equ 100
PIT_DIV     equ 1193182 / PIT_HZ

init_pit_ch0:
    ; 控制字：Ch0, 先低后高, Mode 3, 二进制 → 0x36
    MOV  AL, 0x36
    OUT  0x43, AL

    MOV  AX, PIT_DIV
    OUT  0x40, AL          ; 低 8 位
    MOV  AL, AH
    OUT  0x40, AL          ; 高 8 位
    RET

配套步骤（下一章）：

1. IDT 注册 向量 32（IRQ0_VECTOR equ 32）
2. init_pit_ch0 设置分频
3. PIC IMR 清 bit0，开放 IRQ0：IN 0x21 → AND AL, 0xFE → OUT 0x21, AL
4. 定时器 ISR 内 tick++，发 EOI OUT 0x20, 0x20

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7. 常用分频对照表

分频值 N	频率（约）	周期	典型场景
65535	18.2 Hz	~55 ms	BIOS 默认 tick
11932	100 Hz	10 ms	简易内核 heartbeat
1193	1000 Hz	1 ms	较细粒度计时（开销大）
1193182	1 Hz	1 s	慢速演示

公式：N = 1193182 / 目标 Hz（整数除，会有微小误差）。

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8. Channel 2 与 PC 扬声器（了解）

Channel 2 输出接 8255 PPI 端口 0x61 bit0（Gate），Gate=1 时方波驱动扬声器：

    ; 设置 Ch2 频率（控制字 0xB6 = Ch2, 先低后高, Mode 3）
    MOV  AL, 0xB6
    OUT  0x43, AL
    ; 写入分频值到 0x42 ...
    ; 打开 Gate
    IN   AL, 0x61
    OR   AL, 3              ; bit0 Gate, bit1 数据（简化）
    OUT  0x61, AL

本章节未使用，与键盘中断无直接关系。

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9. 一次 IRQ0 定时中断的流程

与 IRQ1 键盘 对比：

对比项	IRQ0（8253）	IRQ1（8042 键盘）
设备	PIT Channel 0	8042 键盘接口
数据端口	0x40~0x43	0x60/0x64
触发频率	周期性（如 18.2 Hz）	事件驱动（按键）
重映射后向量	32	33
本章	IMR 屏蔽	开放并处理
ISR 典型工作	tick++、调度	读扫描码入缓冲

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10. 本章与 8253 的关系

项目	本章做法	原因
PIT 初始化	不改（沿用 BIOS 默认 Ch0）	只演示键盘中断
PIC IRQ0	屏蔽（IMR bit0=1）	无 IDT[32]，避免 triple fault
PIT 端口	不访问	避免破坏 BIOS 已设频率

BIOS 启动后 Channel 0 通常已在运行并 不断请求 IRQ0；本章用 0xFD 屏蔽 IRQ0 是刻意为之。下一章实现 定时器中断 时，再按 第 6 节 初始化 PIT、注册 IDT[32]、开放 IMR bit0 即可。

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五、8042 与键盘中断使能

与 lesson13 相同：0xAE 启用键盘 + 0xF4 开启扫描。不在 Bochs 里读写 8042 命令字节（易卡死或破坏键盘）。

注意： 不要使用 0xAD/0xA7/0xD2 那套「完整 OSDev 流程」——在 Bochs 里可能 卡死在 wait_8042。

init_8042:
    ; 0xAE → drain → 0xF4（kbd_cmd）→ drain
    RET

初始化顺序： CLI → init_pic（仅屏蔽 IRQ0）→ init_idt（向量 9 与 33）→ init_8042 → STI。

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六、IRQ1 处理程序与环形缓冲

1. 为何用缓冲

中断处理应尽量 短：读硬件、存数据、EOI，复杂逻辑放到 read_char（主线程上下文）。扫描码先写入 环形队列，避免中断里调用 print_char 等可能重入的代码。

KBD_RING_SIZE equ 64
kbd_ring: times KBD_RING_SIZE db 0
kbd_rpos: dd 0
kbd_wpos: dd 0

2. irq1_handler

irq1_handler:
    PUSH EAX

    IN   AL, 0x60
    CALL kbd_ring_push

    MOV  AL, 0x20
    OUT  0x20, AL              ; EOI

    POP  EAX
    IRET

注意： ISR 必须用 IRET 返回；此处只保存/恢复 EAX 即可。

3. read_char：缓冲优先，端口兜底

kbd_pop_scancode:
    MOV  EAX, [kbd_rpos]
    CMP  EAX, [kbd_wpos]
    JNE  .from_ring
    CALL read_kbd_scancode     ; 缓冲空：与 lesson13 相同，读 8042
    RET
.from_ring:
    ; 从 kbd_ring 取一字节
    RET

设计说明：

• IRQ 正常时：irq1_handler 先入队，kbd_pop 只消费缓冲，不读端口。
• Bochs 实测：IDT/PIC/IF 均正确时 IRQ1 仍可能进不了 handler，但 8042 OBF 有数据；缓冲空时 回退到 read_kbd_scancode，与 lesson13 一致，保证能打字。
• 仍是 lesson14 架构（IDT + PIC + ISR + 环形缓冲），不是退回纯 lesson13。

read_char 仍采用：等按下 → 等释放 → 查 scancode_map。

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七、kernel.c

与 lesson13 相同，无需感知中断细节：

void main(void)
{
    clear_screen();
    init_keyboard();    /* 内部：PIC + IDT + 8042 + STI */
    print_str("NotOneOS 32-bit Protected Mode.\r\nWelcome..\r\n", ...);
    print_str("> ", 2);

    char a;
    fin:
        a = read_char();
        if (a != 0) {
            print_char(a);
        }
        goto fin;
}

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八、编译与运行

cd lesson14
make
make install
make run      # Bochs
make debug    # 调试

验证清单：

• 欢迎语与 > 提示符正常
• 软件光标 _ 可见
• 点击 Bochs 窗口 获得焦点后，按键可回显
• 调试器中 IF=1，read_char 停在 HLT 而非 IN 0x64 轮询
• 无 triple fault

调试建议（详见下方「按键无反应排查」）：

make debug
b 0xC200
c

地址以 ../target/kernel.map 为准（make 后自动生成）。

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按键无反应排查

0. 你的日志说明什么

若 tools/bochsout.txt 末尾类似：

IF=1
EIP=0000cc5f
>> call ... (0x0000cc33)

表示：欢迎语已打印，STI 已执行，CPU 在 read_char → kbd_pop → HLT 里等键盘中断，不是 lesson13 那种 IN 0x64 轮询。按键无反应 = IRQ1 没进来或 8042 没把扫描码送给 PIC。

1. 先排除低级问题

• 重新 make install 再运行。
• 鼠标点击 Bochs 显示窗口（黑屏区域），不是下方调试命令行。
• 确认能看到 Welcome.. 和 > 提示符。

2. 用断点定位「中断有没有触发」

重要： CPU 停在断点上时按键不会进中断。须 bc 清断点或只保留 irq1_handler，再 c 继续运行后按键。

make 后打开 ../target/kernel.map（当前典型地址）：

符号	典型地址	作用
irq1_handler	0xCC2F	按键应最先进这里
read_char	0xCC5D	主循环读键
init_keyboard	0xCBF6	末尾应已 STI
IDT[9]	0xC342	默认 PIC_REMAP=0 时查此项

推荐命令：

bc
b 0xCC2F
c

点击 Display 窗口，按 a（调试器命令行不要抢焦点）：

• 能断在 irq1_handler → 中断通，查 scancode_map / 环形缓冲。
• 断不到 → 继续第 4、5 步。

验证 IDT（PIC_REMAP=0 时查向量 9）：

xp /8bx 0xC342
info cpu

期望：06 2f cc 08 00 8e 00 00 一类（指向 0xCC2F），且 eflags 含 IF。

3. 对照 lesson13（最快二分）

用 lesson13 编译运行：若 lesson13 能回显、lesson14 不能 → 8042 有数据，问题在 IDT/PIC/8042 命令字节 bit0。若 两个都不行 → 先查 Bochs 焦点和键盘配置。

4. 查 PIC 与向量号（最常见根因）

代码里 utilities.s 顶部：

PIC_REMAP equ 0    ; Bochs 默认：不重映射，IRQ1 → 向量 9
                   ; 改为 1 则 ICW 重映射，IRQ1 → 向量 33

PIC_REMAP	IRQ1 向量	IDT 应注册	主片 IMR
0（Bochs 推荐）	9	IDT[9] @ 0xC342	读改写：屏蔽 IRQ0、开放 IRQ1
1（真 OS 常用）	33	IDT[33] @ 0xC402	写 0xFD

你之前的症状（IDT[33] 正确、IF=1、按 a 不进 handler）：多半是 Bochs 仍按 BIOS 发向量 9，或 8042 命令字节 bit0 未真正置 1。当前默认已改为 PIC_REMAP=0 + 读命令字节前 drain_kbd。

• 按键后 立刻重启 → IDT 向量与 PIC 映射不一致（例如 remap=1 却只注册了 9）。
• 不重启也不进 handler → 8042 未开 IRQ（查命令字节 bit0）或未点 Display 焦点。

5. 查 8042 是否有数据（中断以外的证据）

程序停在 HLT 时，若能在调试器里看到 0x64 的 bit0（OBF）随按键变 1，说明扫描码已到 8042，只是 没产生 IRQ → 重点查 init_8042 里命令字节 bit0 是否为 1。

6. 现象对照

现象	方向
IF=1，EIP 在 kbd_pop/HLT	等中断；查 8042 bit0、PIC IMR、窗口焦点
按键即重启	IDT 向量号与 PIC 映射不一致
进了 irq1_handler 无字符	查表 / make-break 逻辑
lesson13 行、lesson14 不行	中断路径问题

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九、常见问题

现象	可能原因
triple fault 启动即崩溃	IDT 未注册却 STI；或 IRQ0（8253） 未屏蔽且无 IDT[32]
有欢迎语但按键无反应	未点击 Bochs 窗口；8042 未开扫描/未开中断位
中断进错向量	PIC 未重映射却用向量 9；或重映射了却用向量 9
只响应一次键	忘记 EOI
乱码	scancode_map 偏移错误（见 lesson13 说明）

向量号对照：

配置	IRQ1 对应向量
BIOS 默认（不重映射 PIC）	9
本章 PIC 重映射到 0x20	33

本章采用 重映射 + 向量 33，与主流教程（《30天自制操作系统》等）一致。

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十、PIC_REMAP 必须为 1：踩坑与修复

理论背景（向量冲突、Triple Fault、ICW 四步握手）已写入 第三节 §3.1。本节只保留实践结论。

1. 问题现象

若 PIC_REMAP equ 0（沿用 BIOS 默认 IRQ0~7 → 向量 8~15），在 Bochs 中常见：按键无反应，且很快自动重启（triple fault）。

2. 根因（一句话）

BIOS 映射与 CPU 异常区 0~31 重叠；PIT 的 IRQ0 以向量 8（#DF）进来，空 IDT 门 → #GP → #DF → Triple Fault。即使勉强屏蔽 IRQ0，不写完整 ICW 也无法可靠开放 IRQ1、配置从片与 8086 模式。

3. 修复

将 utilities.s 中改为：

PIC_REMAP     equ 1    ; 必须为 1：保护模式下必须重映射 8259A

init_pic 走完整 ICW1~4（主片基址 0x20、从片 0x28）+ IMR 0xFD/0xFF，IRQ1 → 向量 33，与 IDT[33] 一致。对照表见 §3.1 与 §6。

4. 教训总结

要点	说明
保护模式必须重映射 PIC	BIOS 默认 8~15 与异常重叠，IRQ0 一触发即 triple fault
IMR 必须显式设置	写 0xFD 精确只开放 IRQ1，不能赌 BIOS 遗留值
IDT 向量号必须与 PIC 映射一致	重映射后 IRQ1→33；不一致则按键重启或无反应
ICW4 的 8086 模式位不可省略	不写 ICW4 则 EOI / 向量格式可能与 x86 不兼容

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十一、本章小结

• IDT 定义「向量号 → 处理函数」；8259A PIC 定义「IRQ 线 → 向量号」，并通过 IMR 屏蔽 / EOI 结束 管理中断生命周期
• 8253 PIT 以 1.193182 MHz 分频驱动 IRQ0；BIOS 默认约 18.2 Hz；本章 屏蔽 IRQ0，下一章再初始化 Channel 0 并注册 IDT[32]
• 8259A 主从级联共 15 路 IRQ；键盘占 主片 IRQ1，重映射后对应 向量 33
• 键盘中断链路：按键 → 8042 → PIC IRQ1 → CPU → IDT[33] → irq1_handler → EOI
• 环形缓冲 + HLT 把「硬件响应」与「字符处理」解耦，CPU 不再空转
• lesson13 的显存输出、软件光标、扫描码表可原样复用

后面章节可在此基础上增加：8253 定时器 IRQ0（tick / sleep）、Shift 大写、或 分页（CR3 + 页表）。

源码：
https://gitee.com/xundh/learn-os/tree/master/lesson14