最近一直都在跟清華大學的操作系統(tǒng)課程杈抢，這個課程最大的特點是有一系列可以實戰(zhàn)的操作系統(tǒng)實驗京腥。這些實驗總共有8個蜜另，我在這里記錄實驗中的一些心得和總結碉纳。
Task1
這個Task主要是為了熟悉Makfile以及如何生成操作系統(tǒng)的鏡像文件。Makefile會用就行了馏艾，并不用太深入的理解劳曹。
Task2
這個Task主要是為了熟悉GDB以及熟悉操作系統(tǒng)的啟動過程，下面是調試BIOS的一些過程琅摩。
首先修改gdbinit為:
set architecture i8086
target remote :1234
define hook-stop
x/i $pc
end
然后輸入
make debug
通過輸入
x/i $cs
x/i $eip
我們可以獲取當前 $cs 和 $eip 的值铁孵。其中
$cs = 0xf000
$eip = 0xfff0
在實模式下，這個地址就是
$cs << 4 | $eip = 0xffff0
我們也可以看看這個地址的指令是什么
x/2i 0xffff0
得到的結果是
0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b
也就是說房资，BIOS開始的地址應該是
$cs << 4 | 0xe05b = 0xfe05b
此時, 我們設置一個斷點到0x7c00:
b *0x7c00 /* 注意蜕劝，對于絕對地址來說，需要添加*將其作為地址 */
然后當程序運行起來后, 最后會停止在 0x7c00 這個地址轰异。這里存放的便是bootloader了岖沛。
Task3
這個Taks是這5個Taks中最重要的一個。通過這個Task我們可以了解：如何開啟A20搭独；CPU是如何從實模式轉換到保護模式婴削；如何初始化和使用GDT表。
如何開啟/關閉 A20
實模式下內存的訪問
在開啟A20前牙肝，我們先來說說i8086時CPU是如何訪問內存空間的唉俗。
在i8086時代嗤朴，CPU的數據總線是16bit，地址總線是20bit虫溜，寄存器是16bit雹姊，因此CPU只能訪問1MB以內的空間。因為數據總線和寄存器只有16bit衡楞，如果需要獲取20bit的數據, 我們需要做一些額外的操作吱雏，比如移位。實際上寺酪，CPU是通過對segment(每個segment大小恒定為64K) 進行移位后和offset一起組成了一個20bit的地址坎背，這個地址就是實模式下訪問內存的地址：
address = segment << 4 | offset
理論上，20bit的地址可以訪問1MB的內存空間(0x00000 - (2^20 - 1 = 0xFFFFF))寄雀。但在實模式下, 這20bit的地址理論上能訪問從0x00000 - (0xFFFF0 + 0xFFFF = 0x10FFEF)的內存空間得滤。也就是說，理論上我們可以訪問超過1MB的內存空間盒犹，但越過0xFFFFF后懂更，地址又會回到0x00000。
上面這個特征在i8086中是沒有任何問題的(因為它最多只能訪問1MB的內存空間)急膀，但到了i80286/i80386后沮协，CPU有了更寬的地址總線，數據總線和寄存器后卓嫂，這就會出現一個問題： 在實模式下, 我們可以訪問超過1MB的空間慷暂，但我們只希望訪問1MB以內的內存空間。為了解決這個問題晨雳， CPU中添加了一個可控制A20地址線的模塊行瑞，通過這個模塊，我們在實模式下將第20bit的地址線限制為0餐禁，這樣CPU就不能訪問超過1MB的空間了血久。進入保護模式后，我們再通過這個模塊解除對A20地址線的限制帮非，這樣我們就能訪問超過1MB的內存空間了氧吐。
A20開啟/關閉的過程
現在使用的CPU都是通過鍵盤控制器8042來控制A20地址線疙驾。默認情況下则北，A20地址線是關閉的(第20bit的地址線限制為0)，因此在進入保護模式(需要訪問超過1MB的內存空間)前往堡，我們需要開啟A20地址線(第20bit的地址線可為0或者1)庄岖。A20的開啟過程請參考bootasm.S文件豁翎。
CPU是如何從實模式轉換到保護模式
這個特別簡單，我們需要在開啟A20地址線后隅忿，將$CR0(control register 0)的PE(bit0)置為1就行了心剥。具體代碼請參考bootasm.S文件邦尊。
如何初始化和使用GDT表
GDT詳解
在使用GDT前，我們需要先來了解什么是GDT优烧。GDT全稱是Global Descriptor Table蝉揍，也就是全局描述符表。在保護模式下畦娄，我們通過設置GDT將內存空間被分割為了一個又一個的segment(這些segment是可以重疊的)又沾，這樣我們就能實現不同的程序訪問不同的內存空間。
這和實模式下的尋址方式是不同的, 在實模式下我們只能使用
address = segment << 4 | offset
的方式進行尋址(雖然也是segment + offset的熙卡，但在實模式下我們并不會真正的進行分段)杖刷。在這種情況下，任何程序都能訪問整個1MB的空間驳癌。而在保護模式下滑燃，通過分段的方式，程序并不能訪問整個內存空間颓鲜。下面引用一段ucore實驗報告書上的說明：
【補充】保護模式下表窘，有兩個段表：GDT（Global Descriptor Table）和LDT（Local Descriptor Table），每一張段表可以包含8192 (2^13)個描述符1甜滨，因而最多可以同時存在2 * 2^13 = 214個段乐严。雖然保護模式下可以有這么多段，邏輯地址空間看起來很大衣摩，但實際上段并不能擴展物理地址空間昂验，很大程度上各個段的地址空間是相互重疊的。目前所謂的64TB（2(14+32)=246）邏輯地址空間是一個理論值艾扮，沒有實際意義凛篙。在32位保護模式下，真正的物理空間仍然只有232字節(jié)那么大栏渺。注：在ucore lab中只用到了GDT，沒有用LDT锐涯。
Reference: 1 3.5.1 Segment Descriptor Tables, Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
除了GDT, 我們還需要了解另外幾個名詞：段描述符(segment descriptor)和段選擇子(segment selector)磕诊。段描述符就是GDT中的元素，段選擇子就是訪問GDT的索引纹腌。
段選擇子
在實模式下, 邏輯地址由段選擇子和段選擇子偏移量組成. 其中, 段選擇子16bit, 段選擇子偏移量是32bit. 下面是段選擇子的示意圖:
- 在段選擇子中霎终，其中的INDEX[15:3]是GDT的索引。
- TI[2:2]用于選擇表格的類型升薯，1是LDT莱褒，0是GDT。
- RPL[1:0]用于選擇請求者的特權級涎劈，00最高广凸，11最低阅茶。
段描述符
段描述符的形式比較復雜(為了兼容各種不同版本的CPU)，這里我只給一個示意圖谅海，具體的內容請查找手冊脸哀。這里用到的最重要的是segment base和segment limit：
GDT的訪問
有了上面這些知識，我們可以來看看到底應該怎樣通過GDT來獲取需要訪問的地址了扭吁。我們通過這個示意圖來講解：
- 我們根據CPU給的邏輯地址分離出段選擇子撞蜂。
- 利用這個段選擇子選擇一個段描述符。
- 將段描述符里的Base Address和段選擇子的偏移量相加而得到線性地址侥袜。這個地址就是我們需要的地址蝌诡。
GDT的初始化和使用
因為在保護模式下我們需要使用分段的內存空間，因此在進入保護模式前枫吧，我們就需要初始化GDT浦旱。 下面就通過一些代碼來說明如何初始化和使用GDT。
下面是GDT初始化的代碼:
#define SEG_NULLASM \
.word 0, 0; \
.byte 0, 0, 0, 0
#define SEG_ASM(type,base,lim) \
.word (((lim) >> 12) & 0xffff), ((base) & 0xffff); \
.byte (((base) >> 16) & 0xff), (0x90 | (type)), \
(0xC0 | (((lim) >> 28) & 0xf)), (((base) >> 24) & 0xff)
gdt:
/* 有一個特殊的選擇子稱為空(Null)選擇子由蘑，它的Index=0闽寡，TI=0，而RP
L字段可以為任意值尼酿∫罚空選擇子有特定的用途，當用空選擇子進行存儲訪
問時會引起異常裳擎∠延溃空選擇子是特別定義的，它不對應于全局描述符表GDT
中的第0個描述符鹿响，因此處理器中的第0個描述符總不被處理器訪問羡微，一
般把它置成全0。*/
SEG_NULLASM # null seg
/* 在Lab1中, code segment和data segment都可以訪問整個內存空間 */
SEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff) # code seg for bootloader and kernel
SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff) # data seg for bootloader and kernel
gdtdesc:
/* lgdt 要先載入GDT的大小, 然后才是gdt的地址 */
.word 0x17 # sizeof(gdt) - 1
.long gdt # address gdt
理論上GDT可以存在內存中任何位置惶我，但這里我們是在實模式下初始化GDT的妈倔，因此GDT應該是存在最低的這1MB內存空間中。CPU通過lgdt指令讀入GDT的地址绸贡，之后我們就可以使用GDT了盯蝴。
.set PROT_MODE_CSEG, 0x8
.set PROT_MODE_DSEG, 0x10
/* 載入GDT */
lgdt gdtdesc
/* 從實模式切換到保護模式*/
movl %cr0, %eax
orl $CR0_PE_ON, %eax
movl %eax, %cr0
# ljmp <imm1>, <imm2>
# %cs ← imm1
# %ip ← imm2
/* 將%cs(code segment)的值設置為0x8 */
ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg
...
protcseg:
# Set up the protected-mode data segment registers
/* 設置data segment 的值 */
movw $PROT_MODE_DSEG, %ax # Our data segment selector
movw %ax, %ds # -> DS: Data Segment
movw %ax, %es # -> ES: Extra Segment
movw %ax, %fs # -> FS
movw %ax, %gs # -> GS
movw %ax, %ss # -> SS: Stack Segment
Task4
通過這個Task，我們可以了解OS是如何加載ELF鏡像文件的听怕。這里我并沒有仔細研究ELF文件格式以及如何使用捧挺。
Task5
這個task是為了讓我們了解函數的調用和堆棧的關系。對于函數調用的細節(jié)尿瞭，我在之前的文章中已經寫過了闽烙，具體請參見C函數調用過程原理及函數棧幀分析。這里主要分析下代碼声搁，源代碼在 kern/debug/kdebug.c文件中黑竞。
/*
棧底方向 高位地址
...
...
參數3
參數2
參數1
返回地址
上一層[ebp] <-------- [esp/當前ebp]
局部變量 低位地址
*/
void
print_stackframe(void) {
uint32_t cur_ebp, cur_eip;
uint32_t args[4];
cur_ebp = read_ebp();
cur_eip = read_eip();
/* 假設最多有20層的函數調用 */
for (int stack_level = 0; stack_level < STACKFRAME_DEPTH + 1; stack_level++) {
cprintf("ebp: 0x%08x eip: 0x%08x ", cur_ebp, cur_eip);
/* 假設函數最多有4個參數 */
for (int arg_num = 0; arg_num < 4; arg_num++)
args[arg_num] = *((uint32_t *)cur_ebp + (2 + arg_num));
cprintf("args:0x%08x 0x%08x 0x%08x 0x%08x\n", args[0], args[1], args[2], args[3]);
print_debuginfo(cur_eip);
/* 獲取上一層函數的返回地址和$ebp的值 */
cur_eip = *((uint32_t *)cur_ebp + 1);
cur_ebp = *((uint32_t *)cur_ebp);
}
}
Task6
這個Task主要是為了讓我們熟悉保護模式下的中斷捕发。在X86架構中，中斷可以分為3種：
- 和CPU無關的摊溶，比如外設的請求等爬骤，這些屬于Interrupt。
- 和CPU有關的莫换，比如除0霞玄，page fault等，這些屬于Exception拉岁。
- 系統(tǒng)調用坷剧，這些屬于Trap
中斷機制
當CPU收到中斷(通過8259A完成)或者異常的事件時，它會暫停執(zhí)行當前的程序或任務喊暖，通過一定的機制跳轉到負責處理這個信號的相關處理例程中惫企，在完成對這個事件的處理后再跳回到剛才被打斷的程序或任務中.
中斷向量和中斷服務例程
在X86架構中, 系統(tǒng)最多支持256種不同的中斷， 這些中斷都有一個相應的中斷向量與其對應. 每個中斷向量又有一個對應的中斷服務例程陵叽， 這個中斷服務例程用于處理中斷向量.
IDT
將中斷向量和中斷服務例程聯系在一起的是IDT(Interrupt Descriptor Table)狞尔，輸入一個中斷向量，我們可以找到并運行該中斷向量對應的中斷服務例程巩掺。IDT和GDT類似偏序，每個描述符都是8K，但IDT的第一項可以包含一個描述符胖替。IDT中的中斷描述符可以分為3種：
- Task Gate
- Interrupt Gate
- Trap Gate
在這個Lab中我們使用了后兩種中斷描述符.
Interrupt Gate和Trap Gate差不多研儒，但有些微小的區(qū)別，我直接引用老師的說明:
【補充】所謂“自動禁止”独令，指的是CPU跳轉到interrupt gate里的地址時端朵，在將EFLAGS保存到棧上之后，清除EFLAGS里的IF位燃箭，以避免重復觸發(fā)中斷冲呢。在中斷處理例程里，操作系統(tǒng)可以將EFLAGS里的IF設上,從而允許嵌套中斷招狸。但是必須在此之前做好處理嵌套中斷的必要準備碗硬，如保存必要的寄存器等。二在ucore中訪問Trap Gate的目的是為了實現系統(tǒng)調用瓢颅。用戶進程在正常執(zhí)行中是不能禁止中斷的，而當它發(fā)出系統(tǒng)調用后弛说，將通過Trap Gate完成了從用戶態(tài)（ring 3）的用戶進程進了核心態(tài)（ring 0）的OS kernel挽懦。如果在到達OS kernel后禁止EFLAGS里的IF位，第一沒意義（因為不會出現嵌套系統(tǒng)調用的情況）木人，第二還會導致某些中斷得不到及時響應信柿，所以調用Trap Gate時冀偶，CPU則不會去禁止中斷∮嫒拢總之进鸠，interrupt gate和trap gate之間沒有優(yōu)先級之分，僅僅是CPU在處理中斷時有不同的方法形病，供操作系統(tǒng)在實現時根據需要進行選擇客年。
根據實際需求，我們建立相應的IDT漠吻，在建立好IDT后量瓜，我們就需要告訴CPU我們建立的IDT在哪里。要實現這個目的途乃，我們需要使用一個專門的指令lidt將IDT的地址加載到IDTR寄存器中绍傲。這樣 CPU就通過這個寄存器便可以訪問IDT了。在IDTR寄存器中耍共，我們需要存入IDT的起始地址和大小烫饼。下面是IDTR寄存器的示意圖：
中斷實例
我這里通過該Task的代碼來說明如何建立IDT以及如何通過中斷向量來訪問相應的中斷服務例程。
建立中斷向量表
在這個lab中试读，中斷向量表是__vectors杠纵，該表的每一項存儲一個中斷向量的地址。中斷服務例程在__alltraps中被調用鹏往。 __alltraps除了調用中斷服務例程外淡诗，還會做現場保護等工作。
# kern/trap/vectors.S
.globl vector0
vector0:
pushl $0
pushl $0
jmp __alltraps
...
.globl vector255
vector255:
pushl $0
pushl $255
jmp __alltraps
# vector table
.data
.globl __vectors
__vectors:
.long vector0
.long vector1
.long vector2
.long vector3
...
.long vector255
# kern/trap/trapentry.S
.globl __alltraps
__alltraps:
...
# push %esp to pass a pointer to the trapframe as an argument to trap()
# 我這里補充一下, 在call __alltraps 之前, $esp指向最后壓入的一個參數, 也就是interrupt number(比如pushl $255). 所以說這里 pushl %esp 就是把 $255 在stack中的地址壓入stack作為 trap() 的參數
pushl %esp
# call trap(tf), where tf=%esp
call trap
建立IDT
在這個Lab中伊履，前32個中斷向量和T_SYSCALL使用的是Trap Gate韩容；其余的中斷向量都是使用Interrupt Gate。
void
idt_init(void) {
extern uintptr_t __vectors[];
for (int i = 0; i < 256; i++) {
if (i < IRQ_OFFSET) {
SETGATE(idt[i], 1, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL);
} else if (i == T_SYSCALL) {
SETGATE(idt[i], 1, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_USER);
} else {
SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL);
}
}
lidt(&idt_pd);
}
中斷處理流程
下圖是一個簡化版的中斷處理流程：
- 當系統(tǒng)接收到中斷后, 會根據中斷類型產生一個中斷向量唐瀑。
- 用這個中斷向量作為索引在IDT中找到相應的中斷描述符群凶。
- 利用中斷描述符中的Segment Selector在GDT中找到相應的Segment。
- 將3中找到的Segment和中斷描述符中的Offset(也就是中斷向量表中存儲的中斷向量的地址)相加得到中斷服務例程的地址哄辣。
- 調用這個中斷服務例程请梢。
詳細的中斷處理過程請參考中斷與異常和lab1中對中斷的處理實現.
