基于X86平臺的簡單多任務內(nèi)核的分析與實現(xiàn)
引言
當提到多任務時，人們便會聯(lián)想到MacOS、Linux、Windows等操作系統(tǒng)。通常情況下，若在操作系統(tǒng)下運行多任務，是由操作系統(tǒng)負責管理和調(diào)度各個任務的。本文通過分析一個簡單的多任務內(nèi)核，能夠便于更容易地理解操作系統(tǒng)的任務管理機制，以及可以理解計算機系統(tǒng)是如何啟動的。
1多任務程序的結(jié)構(gòu)
本文實現(xiàn)的簡單多任務內(nèi)核，主要由兩個文件構(gòu)成：一個是使用as86語言編制的引導啟動程序，主要用于在計算機系統(tǒng)加電時，將內(nèi)核代碼從啟動盤加載到內(nèi)存中；另一個便是使用GNUas匯編語言編寫的內(nèi)核程序，其中實現(xiàn)兩個運行在特權(quán)級2上的任務可在時鐘中斷控制下相互切換運行，并可通過系統(tǒng)調(diào)用在屏幕上實現(xiàn)字符顯示。
2多任務內(nèi)核工作的啟動程序原理
計算機系統(tǒng)加電啟動后，會把啟動程序從啟動盤的第一個扇區(qū)加載到物理內(nèi)存0x7c00位置開始處，之后把執(zhí)行權(quán)交給0x7c00初開始運行啟動程序。
啟動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)存的某個指定位置，實現(xiàn)這個目的的方法是利用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)核代碼移動到內(nèi)存0開始處。最后設置控制寄存器CR0中的開啟保護運行模式標志，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存0處開始執(zhí)行內(nèi)核代碼。啟動程序在內(nèi)存中移動內(nèi)核代碼的示意圖如圖1所示。
圖1啟動程序在內(nèi)存中移動內(nèi)核代碼的示意圖
將內(nèi)核代碼移動到物理內(nèi)存0開始處的主要原因是這是GDT表時可以簡單一點。但是，不能讓啟動程序把內(nèi)核代碼從軟盤或映像文件中直接加載到內(nèi)存0處，因為加載操作需要ROMBIOS提供中斷過程，而BIOS使用的中斷向量表正處于內(nèi)存0開始處。若直接把內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存0處,那么,BIOS中斷過程將不能正常運行。
3內(nèi)核程序
3.1初始化任務
內(nèi)核程序運行在32位保護模式下，初始化階段主要包括重新設置GDT表，設置系統(tǒng)定時器芯片，重新設置IDT表并且設置時鐘和系統(tǒng)調(diào)用中斷門。內(nèi)核示例中所有代碼和數(shù)據(jù)段都對應到物理內(nèi)存同一個區(qū)域上，即從物理內(nèi)存0開始的區(qū)域。在虛擬地址空間中內(nèi)核程序的內(nèi)核代碼和任務代碼分配圖如圖2所示。
3.2啟動第一個任務
特權(quán)級0的代碼不能直接把控制權(quán)轉(zhuǎn)移到特權(quán)級2的代碼中執(zhí)行，但可以使用中斷返回操作來實現(xiàn)，因此當初始化GDT、IDT和定時芯片結(jié)束后，就利用中斷返回指令I(lǐng)RET來啟動第一個任務。
具體的實現(xiàn)方法是在初始堆棧init_stack中人工設置一個返回環(huán)境，即把任務0的TSS段選擇符加載到任務寄存器TR中，LDT段選擇符加載到LDTR中以后，把任務0的用戶棧指針和代碼指針以及標志寄存器值壓入棧中，然后執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET。該指令會彈出堆棧上的堆棧指針作為任務0用戶棧指針，恢復假設的任務0的標志寄存器內(nèi)容，并且彈出棧中代碼指針放入CS:EIP寄存器中，從而開始執(zhí)行任務0的代碼，以完成從特權(quán)級0到特權(quán)級3代碼的控制轉(zhuǎn)移。
3.3兩個任務的切換
內(nèi)核程序?qū)⒍〞r器芯片的通道0設置成每經(jīng)過10ms就向中斷控制芯片發(fā)送一個時鐘中斷請求信號，這樣，每個10ms將會切換運行的任務。PC的ROMBIOS開機時已經(jīng)在定時器芯片中把時鐘中斷請求信號設置成中斷向量8，因此需要在中斷8的處理過程中執(zhí)行任務切換操作。
每個任務在執(zhí)行時，會首先把一個字符的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)用處理過程會調(diào)用一個簡單的字符寫屏子程序。在顯示過一個字符后，任務代碼會使用循環(huán)語句延遲一段時間，然后又跳轉(zhuǎn)到任務代碼開始處繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行，直到運行了10ms而發(fā)生了定時中斷，從而代碼會切換到另一個任務去運行。
目前，該內(nèi)核示例已經(jīng)在Bochs模擬軟件中運行測試過,測試結(jié)果如圖3所示。
4結(jié)語
本文分析了一個基于X86平臺的簡單多任務內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)和加載運行原理，描述了其被加載進機器RAM中的基本思路，同時給出了兩個任務進行切換的運行方法。其主要目的是理解操作系統(tǒng)的啟動加載過程。
附 ：本文的啟動代碼及內(nèi)核代碼如下：
#############################################
# 名稱 ：引導程序 boot.s #
# 說明 ：把鏡像文件中的 head 內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存某個
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
# 說明 ：包含 32 位保護模式初始化設置代碼，時鐘中斷代碼，系統(tǒng)調(diào)用中斷代碼和兩個任務的代碼。在初始化完成之后程序移動到任務 0 開始執(zhí)行，并在時鐘中斷控制下進行任務 0 和 1 之間的切換操作。
#############################################
LATCH = 11930 # 定時器初始計數(shù)值，即每隔 10ms 發(fā)送一次中斷請求。
SCRN_SEL = 0x18 # 屏幕顯示內(nèi)存段選擇符
TSS0_SEL = 0x20 # 任務 0 的 TSS 段選擇符
LDT0_SEL = 0x28 # 任務 0 的 LDT 段選擇符
TSS1_SEL = 0x30 # 任務 1 的 TSS 段選擇符
LDT1_SEL = 0x38 # 任務 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，同時把 0x10 給 ss 段寄存器
# 在新的位置重新設置 IDT 和 GDT 表。
call setup_idt # 設置 IDT，先把 256 個中斷門都填
默認處理過程的描述符
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
# 設置 8253 定時芯片。把計數(shù)器通道 0 設置成每個 10ms
向中斷控制器發(fā)送一個中斷請求信號。
movb $0x36，%al # 控制字：設置通道0工作在方式3、
計數(shù)處置采用二進制
movl $0x43，%edx #8253 芯片控制字寄存器寫端口
outb %al，%dx
movl $LATCH，%eax # 初始計數(shù)值設置為 LATCH
（1193180/100），即頻率 100HZ
movl $0x40，%edx # 通道 0 的端口
outb %al，%dx # 分兩次把初始計數(shù)值寫入通道 0
movb %ah，%al
outb %al，%dx
# 在 IDT 表第 8 和第 128（
0x80）項處分別設置定時中斷
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 # 設置定時中斷門描述
符。取定時中斷處理程序地址。
movw $0x8E00，%dx # 中斷門類型是 14（屏蔽中斷），
特權(quán)級 0 或硬件使用。
movl $0x08，%ecx # 開機時 BIOS 設置的時鐘中斷
向量號 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，然后設置該描述符
movl %eax，(%esi)
movl %edx，4(%esi)
movw $system_interrupt，%ax # 設置系統(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 3
的程序可執(zhí)行。
movl $0x80，%ecx # 系統(tǒng)調(diào)用向量號是 0x80.
lea idt(，%ecx，8)，%esi # 把 IDT 描 述 符 項 0x80
地址放入 ESI 中，然后設置該描述符.
movl %eax，(%esi)
movl %edx，4(%esi)
# 現(xiàn)在，為移動到任務 0 中執(zhí)行來操作堆棧內(nèi)容，在堆
棧中人工建立中斷返回時的場景
pushfl
andl $0xffffbfff，(%esp)
popfl
movl $TSS0_SEL，%eax # 把任務 0 的 TSS 段選擇
符加載到任務寄存器 TR
ltr %ax
movl $LDT0_SEL，%eax # 把任務 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 0 當前局部空間數(shù)據(jù)段選擇符入棧
pushl $init_stack # 堆棧指針入棧
pushfl # 標志寄存器值入棧
pushl $0x0f # 任務 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 3 的任
務 0 中執(zhí)行.
# 一下是設置 GDT 和 IDT 中描述符項的子程序
setup_gdt ：
lgdt lgdt_opcode
ret
# 設置 IDT 表中所有 256 個中斷們描述符都為統(tǒng)一個默
認值，均使用默認的中斷處理過程 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 個中斷處理程序 ：默認中斷、定時中斷和系統(tǒng)
調(diào)用中斷
#ignore_int 是默認的中斷處理程序，若系統(tǒng)產(chǎn)生了其他
中斷，會在屏幕上顯示一個字符“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
# 這是定時中斷處理程序，主要執(zhí)行任務切換操作 .
.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
/*************************************************/
current ：
.long 0
src_loc ：
.long 0
.align 2
lidt_opcode ：
.word 256*8-1
.long idt
lgdt_opcode ：
.word (end_gdt-gdt)-1
.long gdt
.align 2
idt ：
.fill 256，8，0
gdt ：
.quad 0x0000000000000000 #GDT 表， 第
一個描述符不用
.quad 0x00c09a00000007ff # 第二個是內(nèi)核代碼段描
述符，其選擇符是 0x08.
.quad 0x00c09200000007ff # 第三個是內(nèi)核數(shù)據(jù)段描
述符，其選擇符是 0x10.
.quad 0x00c0920b80000002 # 第 4 個是顯示內(nèi)存段
描述符，其選擇符是 0x18.
.word 0x68，tss0，0xe900，0x0 # 第 5 個是 TSS0 段
的描述符，其選擇符是 0x20.
.word 0x40，ldt0，0xe200，0x0 # 第 6 個 是 LDT0
段的描述符，其選擇符是 0x28
.word 0x68，tss1，0xe900，0x0 # 第 7 個是 TSS1 段
的描述符，其選擇符是 0x30
.word 0x40，ldt1，0xe200，0x0 # 第 8 個是 LDT1 段
的描述符，其選擇符是 0x38
end_gdt ：
.fill 128，4，0 # 初始內(nèi)核堆棧空間
init_stack ：
# 剛進入保護
模式時用于加載 SS ：ESP 堆棧指針值
.long init_stack
.word 0x10
# 下面是任務 0 的 LDT 表段中的局部段描述符
.align 2
ldt0 ：
.quad 0x0000000000000000
.quad 0x00c0fa00000003ff # 第 2 個是局部代碼段
描述符，對應選擇符是 0x0f.
.quad 0x00c0f200000003ff # 第 3 個是局部數(shù)度段
描述符，
對應選擇符是 0x17.
# 下面是任務 0 的 TSS 段的內(nèi)容
tss0 ：
.long 0
.long krn_stk0，0x10 /*esp0，ss0*/
.long 0，0，0，0，0
/*esp1，ss1，esp2，ss2，
cr3*/
.long 0，0，0，0，0
/ *e i p，e f l a g s，e a x，
ecx，edx*/
.long 0，0，0，0，0
/*ebx，esp，ebp，esi，
edi*/
.long 0，0，0，0，0，0
/*es，cs，ss，ds，fs，
gs*/
.long LDT0_SEL，0x8000000
/ * l d t，t r a c e
bitmap*/
.fill 128，4，0
# 這是任務 0 的內(nèi)核棧
空間
krn_stk0 ：
# 下面是任務 1 的 LDT 表段內(nèi)容和 TSS 段內(nèi)容
.align 2
ldt1 ：
.quad 0x0000000000000000# 第 1 個 描 述
符，不用
.quad 0x00c0fa00000003ff # 選擇符是 0x0f，基地
址 = 0x00000
.quad 0x00c0f200000003ff # 選擇符是 0x17，基地
值 = 0x00000
tss1 ：
.long 0
.long krn_stk1，0x10
.long 0，0，0，0，0
.long task1，0x200
.long 0，0，0，0
.long usr_stk1，0，0，0
.long 0x17，0x0f，0x17，0x17，0x17，0x17
.long LDT1_SEL，0x8000000
.fill 128，4，0
# 這是任務 1 的內(nèi)核棧
空間，其用戶棧直接使用初始?？臻g
krn_stk1 ：
# 下面是任務 0 和任務 1 的程序，它們分別循環(huán)顯示字
符“A”和“B”
task0 ：
movw $0x0c61，
%ax
# 把需要顯示
的字符 A 放入 AL 寄存器中
int $0x80
movl $0xfff，%ecx # 執(zhí)行循環(huán)，起延時作用
1 ：
loop 1b
jmp task0
task1 ：
movw $0x0d62，
%ax
int $0x80
movl $0xfff，%ecx
1 ：
loop 1b
jmp task1
.fill 128，4，0
# 這是任務 1 的用戶棧
空間
usr_stk1 ：
.long 0
下載文檔
