一个简单的32位多任务操作系统的实现

原创：monkeyfu  2003年3月21日  
适用对象：具有一定的C语言，汇编语言基础，对计算机系统结构有基本了解的操作系统爱好者


系统的启动过程:任何一台计算机，在开机后，它要做的第一件事情就是引导(Booting)，通过引导，计算机为自身搭建好运行环境，为以后OS的启动与运行做好准备。首先，我们来看看一台计算机是如何引导自身的。在机器加电后，电源供电稳定后，电源会传给8284A时钟生成器一个“Power Good”低电位信号，随后8284A会输出有效的RESET信号，使CPU复位，这时CS:IP = FFFF:0000。CPU在这里执行一条jmp far addr类指令，跳转到实际BIOS映射代码的位置，开始执行BIOS代码。


上述是机器在加电后的启动过程，大家都知道计算机的启动是分为冷启动与热启动的，那么对于热启动，其过程又是怎样的呢？其实热启动只不过是将键盘中断程序置复位标志为1234h，然后再跳转到BIOS处执行，其主要是省去了在自检过程中对存储器的检测。


在跳转到BIOS后，首先会先关闭中断，然后开始自检(POST)工作，这个自检主要检测计算机最基本设备的运转状态。其主要包括对,CPU内部寄存器测试，BIOS芯片字节的检查，8237 DMA控制器测试,基本32K RAM检测等最基本内容。由于被检测设备在系统运行中的重要性，因此在此过程中，BIOS一旦检测到任何异常，都将判为致命性错误，系统将被停机。

通过上面的自检后，BIOS开始初始化8259可编程中断控制器，并设置BIOS的8个主要中断向量(int 10h—int 17h)，然后初始化并测试CRT视频接口以及显示内存（对于热启动这一步将跳过），在确认正常后，执行其内部的显示卡标准驱动程序(注意这里的驱动跟安装操作系统下的驱动是不一样的),这段代码会存放在C0000h,其主要目的是初始化显示卡。然后BIOS会打印显卡信息。


接着 BIOS开始检查其他设备，其包括对8259中断控制器测试，8253定时器测试,键盘复位和卡键测试，扩展I/O测试,设置硬件中断向量，扩展RAM测试（这里的RAM测试会检测除0—32K以外的整个RAM空间，对于热启动同样也会跳过这一阶段），.然后BIOS会搜索其他设备的ROM,如果找到，则会执行它们。接着测试ROM-BASIC的字节检查，测试磁盘驱动器（如：FDC等），测试打印机端口和RS-232，并设置他们的地址。

然后打开NMI（不可屏蔽中断），最后就是调用Int 19h进行自举。这一阶段的自检如果发生错误,系统会判断其为一般性错误,并显示出相应的提示信息。在此过程中，BIOS会将检测收集到的数据保存在内存低1K--2K的区域，并将BIOS中断向量表，以及BIOS程序运行所需要的stack保存在内存低0K--1K的地方。


下面就是系统自举工作了,系统调用int 19h进行自举，寻找启动设备，如：软驱，硬盘，光驱等等。找到后系统读取启动设备的0号逻辑扇区（如是软盘就读取0面0道1扇区的整个内容），并将读取的内容放到内存地址为0000:7C00的地方。


当然，如果找不到启动设备，BIOS就会调用Int 18h,并给出相应的提示信息，然后进入ROM-BASIC。（有些机器会在等待一段时间后自动进入CMOS。如：很久以前海洋的AMD 386DX/40主板）至此，BIOS的引导程序结束，CPU开始执行0000:7C00处的代码。在这里需要说明一下的是，BIOS的引导程序是与操作系统无关的，但随后CPU开始执行的代码就开始与操作系统存在较大的相关性了，因此对于不同的操作系统，下面这一部分可能会存在着较大的不同。不过，从目的上来讲，它们是相同的，即都是为将要运行OS的内核（Kernel）作准备。


进入这一部分的首要工作就是执行启动设备的引导程序。硬盘与软盘的对于引导程序的存放结构是不同的。硬盘有一个叫做MBR（Master Boot Record）的扇区,系统会首先执行它，以判断那个分区是启动分区，并读入该分区的第一个扇区，并执行。并且在这个扇区中还存放着硬盘分区表（DPT），这个表的地位相当重要，因为它包含了

各个分区的诸如：分区类型，起始位置，结束位置等重要参数。下面我们来详细介绍一下MBR的结构。MBR的结构分为三部分，首先是可执行代码，占446个字节，然后是4个分区表，每个占16个字节，共64个字节，最后是签字AA55H。

下表列出了分区信息的详细内容：

偏移      长度      描述
0          字节      分区状态0：非活动分区，80h活动分区（可引导）
1          字节      分区起始头
2          字         分区起始扇区和起始柱
4          字节      分区类型
5          字节      分区中止头
6          字         分区中止扇区和中止柱
8          双字      分区起始绝对扇区
0Ch      双字       分区扇区数

然后我们开始介绍MBR中的可执行代码部分：

首先,程序会检测MBR的签字是否合法,即判断其最后字是否为AA55h.通过后,将自身移动到内存中的其他地方,以备将来在此装入引导分区的Boot扇区.然后,程序检查四个分区的分区状态,找出活动分区,并将该分区的Boot扇区读入到0000:7C00h处,并检查其签字是否合法,在通过后,程序跳转到0000:7C00h处执行,即将控制权交给活动分区的Boot程序；对于软盘则没有那么复杂，软盘的第一个扇区就是它的Boot区，系统自举时将直接将其读入到0000:7C00h处并执行。

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2.保护模式简述

最早的Intel系列的CPU只存在一种操作模式，即现在所说的实模式(Real Mode，以下简称RM)。在Intel推出80286之后，为了增强CPU的处理能力，同时也为了适应当时的软件开发需求，Intel提出了保护模式 (Protected Mode，以下简称PM)，但在80286下的PM由于CPU本身设计的问题，并没有使其发挥出很大的功效。在80386推出之后，Intel完善了 CPU的设计形成了最终的IA-32架构，并提出了另一种模式系统管理模式(System Management Mode)。本章我们的讨论就围绕着这三种模式进行展开，并重点讨论PM.

首先，对这三种模式做一简单概述。

RM：此模式是主机在加电或复位后自动进入的模式，在此模式下其可以执行16位指令，并可以切换到PM或者SMM。

PM：在此模式下，CPU能够支持其自身的32位特性，使自身处于最高性能表现。
这些特性主要包括：
1． 最大可访问4GB内存空间。事实上，在RM下通过一些未公开的特性，也可以达到同样的效果，但其对于代码段 和堆栈空间却是无效的。况且后面的所有特性都是基于PM的，对RM没有效果。
2． 虚拟存储。处于PM下的CPU其内存管理单元（MMU）支持这项特性。前面我已经说到，在PM下CPU最大寻址空 间为4GB,而在实际中，我们并没有如此大的物理内存空间。因此通过MMU，可以将外存设备（如：硬盘）的一部分 空间模拟成物理内存进行使用。
3． 地址映射。即MMU可以在地址使用前对其进行转换，即所谓的映射。
4． 改进的分段机制。本文后面将对此进行重点论述。
5． 内存保护与任务保护。即在PM状态下，引入了权限机制。通过权限控制可以达到保护相关代码和数据的目的。
6． 改进的寻址模式。在RM下，只有常数，BX或BP,SI或DI可以用来形成地址，而在RM下可以通过任意寄存器进行寻 址，并且可以包含一个为2，4或8的比例因子。
7． 多任务支持。在PM下，CPU提供了特殊的机制能够进行快速的上下文切换。
SMM：该模式为操作系统实现特定平台指定的功能提供了一种有效的机制。

值得注意的是，在PM下，CPU允许在受保护的情况下，执行RM程序，这个特性被称为虚拟8086模式(Virtual-8086 Mode),但其本质上却不是真正的RM。
对于三种模式关系的形象解释可以通过下图来描绘：



正如上面所说的，只有在PM下，CPU才能充分发挥其自身的所有特性，而计算机在启动之后，默认的CPU操作模式却是RM。因此摆在我们面前的一个主要问题就是如何在RM与PM之间相互切换。那么如何在RM和PM之间相互切换呢。核心步骤其实很简单，只要改变CPU中的CR0寄存器中PE标志位的值，就可以实现。在PE=1时，CPU进入PM,而在PE = 0时，则进入RM.但这仅仅是整个切换过程中的一小部分，在进入保护模式之前我们还需要做很多事情，其中最关键的就是建立好一个被称为GDT的表。

在谈到GDT之前，我们先回顾一下，在RM中，内存中寻址的方式---段:偏移量。其中段(Segment)表明了一个基地址，其最大长度固定为64KB （FFFFH）,即16bit数所能表示的最大数值。而偏移量(Offset),就是指在指定段内的位置。由此可见，通过段+偏移量这种表示方式，就可以表示出内存中的绝对地址。需要指出的是，在CPU实际处理过程中，CPU会将段寄存器的值左移动4位，再与偏移量相加，形成地址，放入20位的总线当中。

在PM中，对于段模式来讲,上面的寻址方式，在大部分上仍然是适用的。但由于PM是工作在32位下的，因此上面的各个值，也就都相应的变成了32位。与RM不同的是，在PM下，一个段的长度不再固定，其可以在CPU允许的规则下任意设置.并且CPU为段模式提供了保护机制,即增加了对自身的访问权限.因此在PM下,对于一个段,需要有三个变量给于描述,即基地址,段界限和访问权限.

事实上,CPU将这三个值保存为一个64位长的段描述符.但出于兼容性的考虑,Intel并没有将段寄存器改为64位可用--虽然,段寄存器在事实上确是64位,但对于程序来讲,高于16位的部分却是不可见的--因此,我们需要另一种方法去存放这些数据.Intel选择了将这些段描述符统统存入到一个全局数组中的方法,在访问段时,向相应的段寄存器填入该数组的下标值来实现间接引用。这个全局数组就称其为GDT(全局描述符表).由于GDT可以存放在内存中的任何位置,因此要引用它,就必须知道他的入口地址.Intel为我们提供了GDTR寄存器和LGDT指令.其中 GDTR寄存器存放的是GDT的入口地址(32位)和其界限(16位),共48位.这里的入口地址是一个线性地址,界限则是表的字节长度减一.可见该表最多可以长达64KB,存储8192条描述符号,而LGDT指令的作用就是将GDT装载到放入GDTR寄存器当中.

顾名思义,GDT是全局描述符,因此其在内存中存在且仅存在一个,并且它的存在对于所有的任务来讲,都是可见的.显然,这种做法对于多任务来讲是不易管理的.因此, Intel又引入了LDT(局部描述符表),该描述符与GDT不同之处在于,LDT在系统中可以有许多个,但每个任务只允许有一个LDT,且其只能该任务自身可见.其与GDT的主要关系在于,每一个LDT都会作为一个段,存入GDT中.由于CPU在任何时刻只能执行一个任务的代码，因此存储LDT所需要的寄存器也就只需要一个，Intel将其命名为LDTR,与GDT相同，Intel为装入LDT设置了LLDT指令。与GDT不同的是,LLDT指令的操作数却是一个16位的段选择子，即前面说到的要装入的LDT在GDT中的索引值。这里需要指出的是，LDT并不是必须的，你的程序可以选择使用，或者不使用它。

前面提到了一个新概念--段选择子。我们说段选择子是要引用段在GDT或LDT中的索引值，其实这种说法并不正确。因为段选择子除了含有索引值以外，它还包含了其他内容。  

段选择子的结构如下图:  



段选择子是一个16位的数据结构，其包含了三部分内容。其中，其高13位正是前面所说的索引值，TI用来指定是在GDT中索引，还是在LDT中索引（0 = GDT, 1 = LDT），RPL则是用来指明请求特权级的。

谈到这里，我们就已经阐明了在PM的段模式下，如何引用一个内存地址。首先，将段选择子装入相应的段寄存器中，然后CPU会自动根据段选择子找到相应的段描述符，并找出基地址，最后在加上偏移量，就得到了所需要的内存地址。

在本文开始的部分,我已经说过GDT是进入 PM所必需的数据结构,下面就详细的来讨论一下如何设置好GDT,并将其装入相应的寄存器.
首先必须注意的两点是:
1.GDT中的第一个描述符必须是空，即全为0。在程序中这个描述符不能用来进行内存访问，否则将产生General Protection异常。
2.由于GDT中的描述符都是64位长,因此为了让CPU的访问速度达到最快,需要将GDT的入口地址以8字节对齐,即放入8的倍数的位置.

下面,开始设置进入PM后的代码段和数据段的描述符.  

其格式如下:  



G – 粒度
D/B – 大小(0 = 16位段; 1 = 32位段)
D – 保留
AVL – 用户定义
P – 段是否存在
DPL – 描述符特权级

注意P位,这个位确定了段是否存在.这是什么意思呢.当该位被清除时,如果存在任务要访问这个段.那么CPU会产生一个错误,并会从外存(如:硬盘)中调入该段并再次尝试.当该位被清除时,描述符中的0到39位和48到63位能够包含任意值.你也可以用这些空间来存储该段在磁盘空间中的地址.  

还有就是A位,CPU会在对其所在段写入数据后,将该位置1,这样在做段的磁盘交换时,可以决定是否将该段写入磁盘.

下面要说的就是G位.你会发现,在描述符中段界限仅仅为20位.那么其如何能够设置成1MB到4GB之间的范围呢.这里G位其了重要的作用.当G位被清零时,界限域就是段的最大合法偏移.而如果G位被置成1,那么会把描述符中的段界限左移12位形成32位界限,再将低12位全部填1.这样,实际上就能够指定1MB以下的任意长度,和以4K到4GB为单位的长度.

假定要在进入PM后,使代码段和数据段能够访问全部线性空间,于是可将GDT设置为:

gdt        dd    00000000h, 00000000h ;空
gdt.Code32 dd    0000ffffh, 00cf9a00h ;代码段 读/执行 4GB空间 基地址 = 0 粒度 = 4096,386
gdt.Data32 dd    0000ffffh, 00cf9200h ;数据段 读/写 4GB空间 基地址 = 0 粒度 = 4096,386  

这里你会发现在GDT中不同的描述符指向了同一块内存空间.这在系统中是允许的.在实际应用中,这也是经常要使用到的,例如:操作系统可以 将一个可执行文件装入数据段,然后再从同一位置开始执行.  

在设置好GDT以后,需要将其装入相应的寄存器中.前面说过GDTR寄存器包含两段内容,因此我们需要先算出GDT的绝对物理地址.
GDTR的具体内容
gdtr dw gdtr - gdt – 1;界限
    dd gdt;前面GDT的地址  

实现代码如下:
mov eax, ds
shl eax, 4
add [gdtr+2], eax ; 生成绝对物理地址
lgdt [gdtr]          ; 将gdtr装入寄存器  

到此,就完成了进入保护模式的最主要工作,可以进入PM模式了.  

实现代码如下:
mov eax, cr0
or al, 1
mov cr0, eax ; 修改CR0寄存器,置PE = 1
jmp dword 8:_premain32 ; 8为选择子  

你可能会问为什么要在代码的最后添加一个jmp语句.这是因为,我们必须要清除CPU的指令预取队列(流水线),并以此来设置CS段寄存器. 不过这仅仅是其一,还有一个重要的原因就是,我前面谈到的那个段寄存器大于16位的不可见部分.需要指出的是，Intel对于这一点是未公开的，因此我下面对该问题的讨论仅仅是由推断得出来的。事实上,当我们执行一条装载CS寄存器的指令时,操作数被装入了寄存器的可见部分,而CPU会自动根据操作数,去设置其不可见部分.CS段寄存器所处的状态与当前在哪个模式下并无关系。 在刚刚进PM后,CS仍然认为当前处于16位段,即当前的地址仍是16位地址。因此,必须通过装载一条32位指令去切换到32位段,这也就是jmp在这里的意义.

虽然程序已经进入了PM，但需要做的事情还远没有做完，因为我们还没有配置IDT,即中断描述符表，而要理解这个表又要牵涉到许多内容，因此，我将在后面的文章中详细介绍，这里就不多谈了。

Intel 之所以将这个模式起名为保护模式，其来源就在于特权保护。在PM下，每一个任务都拥有自己的特权级(PL)。Intel将其分为四个级别，由零到三。数字越低级别则越高。例如:PL3级的程序对于一些特定的指令，如：HLT,LGDT,LLDT等，没有执行的权限，并且其也不允许访问拥有高特权级程序的数据。  

在PM下，I/O的访问同样也受到了特权保护。在EFLAGS中存在一个IOPL域。这个域的值决定了能够执行I/O操作的最低权限。例如，当IOPL为3的时候，表明所有特权级的程序都能够执行I/O操作。这个域的值仅允许PL0级的程序进行修改，其他级的程序修改无效。  

同样，数据访问在PM下也是受到保护的。当数据段寄存器要被加载时，CPU会将该段的描述符特权级(DPL)与一个被称为有效特权级(EPL)的数值进行比较，如果DPL不小于EPL，则允许装载寄存器，否则将会产生一个错误。这里的EPL就是选择子的RPL和程序当前特权级（CPL)的数值较大的那一个。

对于堆栈，则有些不同，访问SS寄存器，其DPL要求必须和CPL相等。

关于保护模式，本篇文章就介绍到的这里。对于保护模式的其他重要特性，如：分页操作，多任务处理等，由于内容很多，几乎每一块内容都能当成一个专题来讲，因此我将在以后的文章中对此进行详细讨论。

从功能上来讲软盘与硬盘的Boot区是相同的，其任务都是将OS的内核（Kernel）读入到内存并执行。但具体来看，由于绝大多数OS的Kernel是以文件形式存放在磁盘上的，要读取它就要涉及到对文件系统的操作，这使得它们在实现上又是很不相同的。因此，对于Boot区的分析我们将放在后面的内容中具体介绍。