引言
當(dāng)提到多任務(wù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)人們便會(huì)聯(lián)想到MacOS、基于簡(jiǎn)單Linux、多任Windows等操作系統(tǒng)。分析通常情況下，實(shí)現(xiàn)若在操作系統(tǒng)下運(yùn)行多任務(wù)，基于簡(jiǎn)單是多任由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和調(diào)度各個(gè)任務(wù)的。本文通過(guò)分析一個(gè)簡(jiǎn)單的分析多任務(wù)內(nèi)核，能夠便于更容易地理解操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理機(jī)制，以及可以理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于簡(jiǎn)單如何啟動(dòng)的。
1多任務(wù)程序的多任結(jié)構(gòu)
本文實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單多任務(wù)內(nèi)核，主要由兩個(gè)文件構(gòu)成：一個(gè)是分析使用as86語(yǔ)言編制的引導(dǎo)啟動(dòng)程序，主要用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加電時(shí)，將內(nèi)核代碼從啟動(dòng)盤加載到內(nèi)存中；另一個(gè)便是使用GNUas匯編語(yǔ)言編寫的內(nèi)核程序，其中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)行在特權(quán)級(jí)2上的任務(wù)可在時(shí)鐘中斷控制下相互切換運(yùn)行，并可通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用在屏幕上實(shí)現(xiàn)字符顯示。
2多任務(wù)內(nèi)核工作的啟動(dòng)程序原理
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加電啟動(dòng)后，會(huì)把啟動(dòng)程序從啟動(dòng)盤的第一個(gè)扇區(qū)加載到物理內(nèi)存0x7c00位置開(kāi)始處，之后把執(zhí)行權(quán)交給0x7c00初開(kāi)始運(yùn)行啟動(dòng)程序。
啟動(dòng)程序的主要功能是將軟盤或者鏡像文件中的內(nèi)核程序加載到內(nèi)存的某個(gè)指定位置，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的方法是利用ROSBIOS中斷int0x13,把軟盤或者鏡像中的內(nèi)核代碼讀入到內(nèi)存，然后再把這段內(nèi)核代碼移動(dòng)到內(nèi)存0開(kāi)始處。最后設(shè)置控制寄存器CR0中的開(kāi)啟保護(hù)運(yùn)行模式標(biāo)志，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存0處開(kāi)始執(zhí)行內(nèi)核代碼。啟動(dòng)程序在內(nèi)存中移動(dòng)內(nèi)核代碼的示意圖如圖1所示。
圖1啟動(dòng)程序在內(nèi)存中移動(dòng)內(nèi)核代碼的示意圖
將內(nèi)核代碼移動(dòng)到物理內(nèi)存0開(kāi)始處的主要原因是這是GDT表時(shí)可以簡(jiǎn)單一點(diǎn)。但是，不能讓啟動(dòng)程序把內(nèi)核代碼從軟盤或映像文件中直接加載到內(nèi)存0處，因?yàn)榧虞d操作需要ROMBIOS提供中斷過(guò)程，而BIOS使用的中斷向量表正處于內(nèi)存0開(kāi)始處。若直接把內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存0處,那么,BIOS中斷過(guò)程將不能正常運(yùn)行。
3內(nèi)核程序
3.1初始化任務(wù)
內(nèi)核程序運(yùn)行在32位保護(hù)模式下，初始化階段主要包括重新設(shè)置GDT表，設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)器芯片，重新設(shè)置IDT表并且設(shè)置時(shí)鐘和系統(tǒng)調(diào)用中斷門。內(nèi)核示例中所有代碼和數(shù)據(jù)段都對(duì)應(yīng)到物理內(nèi)存同一個(gè)區(qū)域上，即從物理內(nèi)存0開(kāi)始的區(qū)域。在虛擬地址空間中內(nèi)核程序的內(nèi)核代碼和任務(wù)代碼分配圖如圖2所示。
3.2啟動(dòng)第一個(gè)任務(wù)
特權(quán)級(jí)0的代碼不能直接把控制權(quán)轉(zhuǎn)移到特權(quán)級(jí)2的代碼中執(zhí)行，但可以使用中斷返回操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)初始化GDT、IDT和定時(shí)芯片結(jié)束后，就利用中斷返回指令I(lǐng)RET來(lái)啟動(dòng)第一個(gè)任務(wù)。
具體的實(shí)現(xiàn)方法是在初始堆棧init_stack中人工設(shè)置一個(gè)返回環(huán)境，即把任務(wù)0的TSS段選擇符加載到任務(wù)寄存器TR中，LDT段選擇符加載到LDTR中以后，把任務(wù)0的用戶棧指針和代碼指針以及標(biāo)志寄存器值壓入棧中，然后執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET。該指令會(huì)彈出堆棧上的堆棧指針作為任務(wù)0用戶棧指針，恢復(fù)假設(shè)的任務(wù)0的標(biāo)志寄存器內(nèi)容，并且彈出棧中代碼指針?lè)湃隒S:EIP寄存器中，從而開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)0的代碼，以完成從特權(quán)級(jí)0到特權(quán)級(jí)3代碼的控制轉(zhuǎn)移。
3.3兩個(gè)任務(wù)的切換
內(nèi)核程序?qū)⒍〞r(shí)器芯片的通道0設(shè)置成每經(jīng)過(guò)10ms就向中斷控制芯片發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘中斷請(qǐng)求信號(hào)，這樣，每個(gè)10ms將會(huì)切換運(yùn)行的任務(wù)。PC的ROMBIOS開(kāi)機(jī)時(shí)已經(jīng)在定時(shí)器芯片中把時(shí)鐘中斷請(qǐng)求信號(hào)設(shè)置成中斷向量8，因此需要在中斷8的處理過(guò)程中執(zhí)行任務(wù)切換操作。
每個(gè)任務(wù)在執(zhí)行時(shí)，會(huì)首先把一個(gè)字符的ASCII碼放入寄存器AL中，然后調(diào)用系統(tǒng)中斷int0x80,而該系統(tǒng)調(diào)用處理過(guò)程會(huì)調(diào)用一個(gè)簡(jiǎn)單的字符寫屏子程序。在顯示過(guò)一個(gè)字符后，任務(wù)代碼會(huì)使用循環(huán)語(yǔ)句延遲一段時(shí)間，然后又跳轉(zhuǎn)到任務(wù)代碼開(kāi)始處繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行，直到運(yùn)行了10ms而發(fā)生了定時(shí)中斷，從而代碼會(huì)切換到另一個(gè)任務(wù)去運(yùn)行。
目前，該內(nèi)核示例已經(jīng)在Bochs模擬軟件中運(yùn)行測(cè)試過(guò),測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
4結(jié)語(yǔ)
本文分析了一個(gè)基于X86平臺(tái)的簡(jiǎn)單多任務(wù)內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)和加載運(yùn)行原理，描述了其被加載進(jìn)機(jī)器RAM中的基本思路，同時(shí)給出了兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行切換的運(yùn)行方法。其主要目的是理解操作系統(tǒng)的啟動(dòng)加載過(guò)程。
附 ：本文的啟動(dòng)代碼及內(nèi)核代碼如下：
#############################################
# 名稱 ：引導(dǎo)程序 boot.s #
# 說(shuō)明 ：把鏡像文件中的 head 內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存某個(gè)
指定位置。 #
# #
#############################################
BOOTSEG=0x07c0
SYSSEG=0x1000
SYSLEN=17
entry start
start ：
jmpi go，#BOOTSEG
go ：
mov ax，cs
mov ds，ax
mov es，ax
mov ss，ax
mov sp，#0x400
mov ax，#0x0600
mov cx，#0x0000
mov dx，#0xFFFF
int 0x10
mov cx，#10
mov dx，#0x0000
mov bx，#0x000c
mov bp，#msg
mov ax，#0x1301
int 0x10
load_system ：
mov dx，#0x0000
mov cx，#0x0002
mov ax，#SYSSEG
mov es，ax
xor bx，bx
mov ax，#0x200+SYSLEN
int 0x13
jnc ok_load
mov dx，#0x0000
mov ax，#0x0000
int 0x13
jmp load_system
ok_load ：
cli
mov ax，#SYSSEG
mov ds，ax
xor ax，ax
mov es，ax
mov cx，#0x1000
sub si，si
sub di，di
rep
movw
mov ax，cs
mov ds，ax
lidt idt_48
lgdt gdt_48
mov ax，#0x0001
lmsw ax
jmpi 0，8
msg ：
.ascii "Loading..."
.byte 13，10
gdt ：
.word 0，0，0，0
.word 0x07FF
.word 0x0000
.word 0x9A00
.word 0x00C0
.word 0x07FF
.word 0x0000
.word 0x9200
.word 0x00C0
idt_48 ：
.word 0
.word 0，0
gdt_48 ：
.word 0x7FF
.word 0x7c00+gdt，0
.org 510
.word 0xAA55
#############################################
# 名稱 ：內(nèi)核程序 head.s
# 說(shuō)明 ：包含 32 位保護(hù)模式初始化設(shè)置代碼，時(shí)鐘中斷代碼，系統(tǒng)調(diào)用中斷代碼和兩個(gè)任務(wù)的代碼。在初始化完成之后程序移動(dòng)到任務(wù) 0 開(kāi)始執(zhí)行，并在時(shí)鐘中斷控制下進(jìn)行任務(wù) 0 和 1 之間的切換操作。
#############################################
LATCH = 11930 # 定時(shí)器初始計(jì)數(shù)值，即每隔 10ms 發(fā)送一次中斷請(qǐng)求。
SCRN_SEL = 0x18 # 屏幕顯示內(nèi)存段選擇符
TSS0_SEL = 0x20 # 任務(wù) 0 的 TSS 段選擇符
LDT0_SEL = 0x28 # 任務(wù) 0 的 LDT 段選擇符
TSS1_SEL = 0x30 # 任務(wù) 1 的 TSS 段選擇符
LDT1_SEL = 0x38 # 任務(wù) 1 的 LDT 段選擇符
.globl startup_32
.text
startup_32 ：
# 首先加載數(shù)據(jù)段寄存器 DS、堆棧段寄存器 SS 和堆棧
指針 ESP。所有段的線性基地址都是 0.
movl $0x10，%eax # 0x10 是 GDT 中數(shù)據(jù)段選擇符。
mov %ax，%ds
lss init_stack，%esp # 把 init_stack 地址處的內(nèi)容既
init_stack 有效地址給 esp，同時(shí)把 0x10 給 ss 段寄存器
# 在新的位置重新設(shè)置 IDT 和 GDT 表。
call setup_idt # 設(shè)置 IDT，先把 256 個(gè)中斷門都填
默認(rèn)處理過(guò)程的描述符
call setup_gdt
movl $0x10，%eax # 在改變了 GDT 之后 重新加載
所有段寄存器 .
mov %ax，%ds
mov %ax，%es
mov %ax，%fs
mov %ax，%gs
lss init_stack，%esp
# 設(shè)置 8253 定時(shí)芯片。把計(jì)數(shù)器通道 0 設(shè)置成每個(gè) 10ms
向中斷控制器發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。
movb $0x36，%al # 控制字：設(shè)置通道0工作在方式3、
計(jì)數(shù)處置采用二進(jìn)制
movl $0x43，%edx #8253 芯片控制字寄存器寫端口
outb %al，%dx
movl $LATCH，%eax # 初始計(jì)數(shù)值設(shè)置為 LATCH
（1193180/100），即頻率 100HZ
movl $0x40，%edx # 通道 0 的端口
outb %al，%dx # 分兩次把初始計(jì)數(shù)值寫入通道 0
movb %ah，%al
outb %al，%dx
# 在 IDT 表第 8 和第 128（
0x80）項(xiàng)處分別設(shè)置定時(shí)中斷
門描述符和系統(tǒng)調(diào)用陷阱門描述符
movl $0x00080000，%eax # 中斷處 理 屬內(nèi)核，即
EAX 高字節(jié)是內(nèi)核代碼段選擇符 0x0008.
movw $timer_interrupt，%ax # 設(shè)置定時(shí)中斷門描述
符。取定時(shí)中斷處理程序地址。
movw $0x8E00，%dx # 中斷門類型是 14（屏蔽中斷），
特權(quán)級(jí) 0 或硬件使用。
movl $0x08，%ecx # 開(kāi)機(jī)時(shí) BIOS 設(shè)置的時(shí)鐘中斷
向量號(hào) 8. 這里直接使用它。
lea idt(，%ecx，8)，%esi # 把 IDT 描 述 符 0x08 地
址放入 ESI 中，然后設(shè)置該描述符
movl %eax，(%esi)
movl %edx，4(%esi)
movw $system_interrupt，%ax # 設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用陷阱
門描述符。取系統(tǒng)調(diào)用處理程序地址。
movw $0xef00，%dx # 陷阱門類型是 15，特權(quán)級(jí) 3
的程序可執(zhí)行。
movl $0x80，%ecx # 系統(tǒng)調(diào)用向量號(hào)是 0x80.
lea idt(，%ecx，8)，%esi # 把 IDT 描 述 符 項(xiàng) 0x80
地址放入 ESI 中，然后設(shè)置該描述符.
movl %eax，(%esi)
movl %edx，4(%esi)
# 現(xiàn)在，為移動(dòng)到任務(wù) 0 中執(zhí)行來(lái)操作堆棧內(nèi)容，在堆
棧中人工建立中斷返回時(shí)的場(chǎng)景
pushfl
andl $0xffffbfff，(%esp)
popfl
movl $TSS0_SEL，%eax # 把任務(wù) 0 的 TSS 段選擇
符加載到任務(wù)寄存器 TR
ltr %ax
movl $LDT0_SEL，%eax # 把任務(wù) 0 的 LDT 段選擇
符加載到局部描述符表寄存器 LDTR
lldt %ax
movl $0，current
sti
pushl $0x17 # 任務(wù) 0 當(dāng)前局部空間數(shù)據(jù)段選擇符入棧
pushl $init_stack # 堆棧指針入棧
pushfl # 標(biāo)志寄存器值入棧
pushl $0x0f # 任務(wù) 0 局部空間代碼段選擇符入棧
pushl $task0 # 把代碼指針入棧
iret # 執(zhí)行中斷返回指令，從而切換到特權(quán)級(jí) 3 的任
務(wù) 0 中執(zhí)行.
# 一下是設(shè)置 GDT 和 IDT 中描述符項(xiàng)的子程序
setup_gdt ：
lgdt lgdt_opcode
ret
# 設(shè)置 IDT 表中所有 256 個(gè)中斷們描述符都為統(tǒng)一個(gè)默
認(rèn)值，均使用默認(rèn)的中斷處理過(guò)程 ignore_int。
setup_idt ：
lea ignore_int，%edx
movl $0x0008000，%eax
movw %dx，%ax
movw $0x8E00，%dx
lea idt，%edi
mov $256，%ecx
rp_idt ：
movl %eax，(%edi)
movl %edx，4(%edi)
addl $8，%edi
dec %ecx
jne rp_idt
lidt lidt_opcode
ret
# 顯示字符子程序
write_char ：
push %gs
pushl %ebx
mov $SCRN_SEL，%ebx
mov %bx，%gs
mov src_loc，%bx
shl $1，%ebx
mov %ax，%gs ：
(%ebx)
shr $1，%ebx
incl %ebx
cmpl $2000，%ebx
jb 1f
movl $0，%ebx
1 ：
movl %ebx，src_loc
popl %ebx
pop %gs
ret
# 以下是 3 個(gè)中斷處理程序 ：默認(rèn)中斷、定時(shí)中斷和系統(tǒng)
調(diào)用中斷
#ignore_int 是默認(rèn)的中斷處理程序，若系統(tǒng)產(chǎn)生了其他
中斷，會(huì)在屏幕上顯示一個(gè)字符“C”
.align 2
ignore_int ：
push %ds
pushl %eax
movl $0x10，
%eax
mov %ax，
%ds
mov $0x0c98，
%ax /* print 'C' */
call write_char
popl %eax
pop %ds
iret
# 這是定時(shí)中斷處理程序，主要執(zhí)行任務(wù)切換操作 .
.align 2
timer_interrupt ：
push %ds
pushl %eax
movl $0x10，
%eax
mov %ax，
%ds
movb $0x20，
%al
outb %al，
$0x20
movl $1，%eax
cmpl %eax，current
je 1f
movl %eax，current
ljmp $TSS1_SEL，$0
jmp 2f
1 ：
movl $0，current
ljmp $TSS0_SEL，$0
2 ：
popl %eax
pop %ds
iret
# 系統(tǒng)調(diào)用中斷 int 0x80 處理程序 . 顯示字符功能
.align 2
system_interrupt ：
push %ds
pushl %edx
pushl %ecx
pushl %ebx
pushl %eax
movl $0x10，
%edx
mov %dx，
%ds
call write_char
popl %eax
popl %ebx
popl %ecx
popl %edx
pop %ds
iret
/
