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デジタル創作サークルUniProject Advent Calendar 2025

@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

割り込み処理でキーボードが動いた！ Part5

Last updated at Posted at 2025-12-10

Rustで作るx86_64 自作OS入門シリーズ
Part1【環境構築】 | Part2【no_std】 | Part3【Hello World】| Part4【VGA】 | Part5【割り込み】 | Part6【ページング】 | Part7【ヒープ】 | Part8【マルチタスク】| Part9【ファイルシステム】 | Part10【ELFローダー】 | Part11【シェル】 | Part12【完結】

はじめに

Part4まででVGAテキストモードは完成しました。でも今のOSは「表示するだけ」で、何も入力を受け付けません。

キーボード押しても無反応...かなしみ。

今回は 割り込み処理 を実装して、キーボード入力ができるようにします！

目次

割り込みって何？

CPUが「今やってる処理を中断して、別の処理をする」仕組みです。

[通常の処理] → キーボード押された！ → [割り込みハンドラ] → [通常の処理に戻る]

大きく分けて2種類：

種類 発生元 例
例外（Exception） CPU自身 ゼロ除算、ページフォルト
外部割り込み ハードウェア キーボード、タイマー

x86_64では IDT（Interrupt Descriptor Table） というテーブルに「どの割り込みが来たらどの関数を呼ぶか」を登録しておきます。

必要なクレートを追加

# Cargo.toml
[dependencies]
bootloader = { version = "0.9.23", features = ["map_physical_memory"] }
spin = "0.9"
lazy_static = { version = "1.4", features = ["spin_no_std"] }
x86_64 = "0.15"
pc-keyboard = "0.7"
pic8259 = "0.11"

追加したクレート：

  • x86_64: IDTとかポート操作とか
  • pc-keyboard: キーボードのスキャンコードを文字に変換
  • pic8259: PIC（割り込みコントローラ）の制御
cargo build

    Updating crates.io index
     Locking 8 packages to latest compatible versions
      Adding bit_field v0.10.3
      Adding bitflags v2.10.0
      Adding pc-keyboard v0.7.0
      Adding pic8259 v0.11.0
      Adding x86_64 v0.15.4
   Compiling x86_64 v0.15.4
   Compiling pic8259 v0.11.0
   Compiling pc-keyboard v0.7.0
   Compiling my-os v0.1.0 (C:\Users\Aqua\Documents\Qiita\my-os)
    Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 5.23s

フィーチャーフラグ

割り込みハンドラを書くにはnightly機能が必要：

// src/main.rs
#![no_std]
#![no_main]
#![feature(abi_x86_interrupt)]  // これ追加！

IDTを作る

src/interrupts.rsを新規作成：

// src/interrupts.rs
use x86_64::structures::idt::{InterruptDescriptorTable, InterruptStackFrame};
use crate::{println, print};

lazy_static::lazy_static! {
    static ref IDT: InterruptDescriptorTable = {
        let mut idt = InterruptDescriptorTable::new();
        idt.breakpoint.set_handler_fn(breakpoint_handler);
        idt.double_fault.set_handler_fn(double_fault_handler);
        idt[InterruptIndex::Timer.as_u8()].set_handler_fn(timer_interrupt_handler);
        idt[InterruptIndex::Keyboard.as_u8()].set_handler_fn(keyboard_interrupt_handler);
        idt
    };
}

pub fn init_idt() {
    IDT.load();
}

割り込みインデックス

PICからの割り込みは32番から始まります（0〜31はCPU例外用）：

#[derive(Debug, Clone, Copy)]
#[repr(u8)]
pub enum InterruptIndex {
    Timer = PIC_1_OFFSET,     // 32
    Keyboard,                  // 33
}

impl InterruptIndex {
    fn as_u8(self) -> u8 {
        self as u8
    }
}

pub const PIC_1_OFFSET: u8 = 32;
pub const PIC_2_OFFSET: u8 = PIC_1_OFFSET + 8;

例外ハンドラ

// ブレークポイント（デバッグ用）
extern "x86-interrupt" fn breakpoint_handler(stack_frame: InterruptStackFrame) {
    println!("EXCEPTION: BREAKPOINT\n{:#?}", stack_frame);
}

// ダブルフォルト（例外ハンドラがエラーになったとき）
extern "x86-interrupt" fn double_fault_handler(
    stack_frame: InterruptStackFrame,
    _error_code: u64,
) -> ! {
    panic!("EXCEPTION: DOUBLE FAULT\n{:#?}", stack_frame);
}

extern "x86-interrupt"が割り込みハンドラ用の呼び出し規約。これを使うと、レジスタの退避とかを自動でやってくれます。

PICを初期化する

PIC（Programmable Interrupt Controller）はハードウェア割り込みを管理するチップ。昔のPCには2つあって、それがカスケード接続されてます。

use pic8259::ChainedPics;
use spin::Mutex;

pub static PICS: Mutex<ChainedPics> =
    Mutex::new(unsafe { ChainedPics::new(PIC_1_OFFSET, PIC_2_OFFSET) });

pub fn init_pics() {
    unsafe {
        PICS.lock().initialize();
    }
}

タイマー割り込み

extern "x86-interrupt" fn timer_interrupt_handler(_stack_frame: InterruptStackFrame) {
    // print!(".");  // 有効にすると画面がドットだらけになる
    
    unsafe {
        PICS.lock().notify_end_of_interrupt(InterruptIndex::Timer.as_u8());
    }
}

重要: notify_end_of_interruptを忘れると次の割り込みが来なくなる！これで1時間溶かしました...

キーボード割り込み

いよいよ本命！

extern "x86-interrupt" fn keyboard_interrupt_handler(_stack_frame: InterruptStackFrame) {
    use x86_64::instructions::port::Port;
    use pc_keyboard::{layouts, DecodedKey, HandleControl, Keyboard, ScancodeSet1};
    use spin::Mutex;

    lazy_static::lazy_static! {
        static ref KEYBOARD: Mutex<Keyboard<layouts::Us104Key, ScancodeSet1>> =
            Mutex::new(Keyboard::new(
                ScancodeSet1::new(),
                layouts::Us104Key,
                HandleControl::Ignore
            ));
    }

    let mut keyboard = KEYBOARD.lock();
    let mut port = Port::new(0x60);  // キーボードデータポート

    let scancode: u8 = unsafe { port.read() };
    if let Ok(Some(key_event)) = keyboard.add_byte(scancode) {
        if let Some(key) = keyboard.process_keyevent(key_event) {
            match key {
                DecodedKey::Unicode(character) => print!("{}", character),
                DecodedKey::RawKey(key) => print!("{:?}", key),
            }
        }
    }

    unsafe {
        PICS.lock().notify_end_of_interrupt(InterruptIndex::Keyboard.as_u8());
    }
}

処理の流れ

  1. ポート0x60からスキャンコードを読む
  2. pc-keyboardクレートで文字に変換
  3. 画面に表示
  4. EOI（End Of Interrupt）を送る

main.rsの更新

#![no_std]
#![no_main]
#![feature(abi_x86_interrupt)]

mod vga;
mod interrupts;

// ... 省略 ...

fn kernel_main(_boot_info: &'static BootInfo) -> ! {
    serial_init();
    serial_print("=== My OS Booting ===\n");
    
    vga::init();
    serial_print("VGA initialized\n");
    
    interrupts::init_idt();
    serial_print("IDT initialized\n");
    
    interrupts::init_pics();
    serial_print("PICs initialized\n");
    
    // 割り込みを有効化！
    x86_64::instructions::interrupts::enable();
    serial_print("Interrupts enabled\n");
    
    println!("Hello, OS World!");
    println!("Interrupts enabled! Try pressing keys...");
    
    loop {
        x86_64::instructions::hlt();  // 割り込みが来るまで省電力待機
    }
}

動作確認

cargo bootimage

WARNING: `CARGO_MANIFEST_DIR` env variable not set
Building kernel
warning: method `as_usize` is never used
  --> src\interrupts.rs:32:8
   |
27 | impl InterruptIndex {
   | ------------------- method in this implementation
...
32 |     fn as_usize(self) -> usize {
   |        ^^^^^^^^
   |
   = note: `#[warn(dead_code)]` on by default

warning: `my-os` (bin "my-os") generated 1 warning
    Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 0.17s
Building bootloader
    Finished `release` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 0.05s
Created bootimage for `my-os` at `target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin`

警告は無視してOK（as_usizeを定義したけど結局as_u8しか使わなかった）。

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin -serial file:serial.log

シリアルログ：

=== My OS Booting ===
VGA initialized
IDT initialized
PICs initialized
Interrupts enabled
println! test complete
Entering infinite loop...

そしてQEMUウィンドウでキーボードを押すと...

文字が出る！！！

Hello, OS World!
Interrupts enabled! Try pressing keys...
hello world

めちゃくちゃ感動した。自分で作ったOSでキーボードが動くって、なんかこう...グッとくるものがありますね。

割り込みの流れ図

┌─────────────┐
│ キーボード   │ ← 物理的に押す
└──────┬──────┘
       │ IRQ1
       ▼
┌─────────────┐
│    PIC      │ ← 割り込みを管理
└──────┬──────┘
       │ ベクタ33
       ▼
┌─────────────┐
│    CPU      │ ← 処理を中断
└──────┬──────┘
       │
       ▼
┌─────────────┐
│    IDT      │ ← ハンドラを探す
└──────┬──────┘
       │
       ▼
┌─────────────────────────┐
│ keyboard_interrupt_handler │ ← 私たちのコード！
└─────────────────────────┘

まとめ

Part5では以下を達成しました：

  • IDT（割り込み記述子テーブル）の作成
  • PIC（割り込みコントローラ）の初期化
  • 例外ハンドラ（ブレークポイント、ダブルフォルト）
  • タイマー割り込み
  • キーボード入力が動いた！

次回（Part6）はページングを実装して、仮想メモリの世界に入ります。メモリ管理は複雑だけど、ここを超えればヒープが使える...！

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