【操作系统】1.操作系统启动
1.打开电源
（1）x86 PC开机时CPU处于实模式，实模式的寻址方式是CS:IP (CS左移4位+IP)
（2）开机时段寄存器CS=0xFFFF，偏移量IP=0x0000，段寄存器左移4位加上偏移量是实际地址，也就是寻址地址为0xFFFF0 (ROM BIOS映射区)
（3）检查RAM，键盘，显示器，磁盘
（4）将0磁道0扇区512个字节读入0x7c00处（操作系统的引导扇区）
（5）设置cs=0x7c0，ip=0x0000
2.引导扇区代码bootsect.s
（1）将bootsect从0x7c00处移动到0x90000处
（2）将setup读入到0x90200处
（3）将system读入0x10000处
（4）将PC移动到0x90200处，bootsect结束
1. 移动bootsect.s。读取0x7c00处的内存，首先设置源地址和目标地址，并且将0x7c00内存处的256个字（512字节）移动到了0x90000
start: mov ax, #BOOTSEG mov ds, ax ! 将 ds 段寄存器设置为0x07C0（16位汇编，后面的放入前面） mov ax, #INITSEG mov es, ax ! 将 es 段寄存器设置为0x9000 sub si, si ! 源地址 ds:si 0x7c00 sub di, di ! 目标地址 es:di 0x90000 mov cx, #256 ! 设置移动计数值256字（512字节） rep movw ! 重复移动直到cx为0，将bootsect移动到了0x90000处 jmpi go, INITSEG ! 跳转到0x9000:go处，将设置es、ss、sp都为0x9000（相当于是初始化）
2. 0x13读磁盘中断，读取setup代码。在磁盘第2个扇区开始，读取4个扇区的内容，并将这4个扇区的内容写入到0x90200内存处。因为bootsect占用512字节，所以需要写在0x90000的512个字节之后，16位表示就是在0x90200处写入。
go: mov ax, cs ! 0x9000 ! 将ds、es、ss都置成移动后代码所在段处0x9000、栈顶地址设置为0x9fff00，来远离代码位置 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, #0xFF00 load_setup:
// 载入setup模块, 从磁盘第2个扇区开始读4个扇区, 写入0x90200处 mov dx, #0x0000 ! 数据寄存器 mov cx, #0x0002 ! 计数寄存器 ch:cx高8位, 0x00(柱面号0); cl:低8位, 0x02(开始扇区为2) mov bx, #0x0200 ! 基址寄存器 写到es:bx 0x90200处 mov ax, #0x0200+SETUPLEN ! 累加器 ah: ax高8位, 0x20(读磁盘); al:ax低8位, 0x04(读取4个扇区) int 0x13 ! BIOS读磁盘扇区中断 jnc ok_load_setup ! 跳转指令, CF=0则跳转。如果没有读错，则跳转到加载setup执行；如果读错，则复位驱动器重新读。 mov dx, #0x0000 ! 对驱动器0进行操作 mov ax, # 0x0000 ! 复位 int 0x13 ! 执行0x13中断（BIOS读磁盘扇区的中断） j load_setup ! 重读
3. 0x10显示字符中断，显示字符在显示器上。ok_load_setup，显示欢迎页面，调用read_it读入system，最后将控制权交接给setup模块，也就是将PC移动到0x90200处，开始执行setup。bootsect正式结束。
ok_load_setup: ! 载入setup，显示开机文字，读取system ! 读取setup，显示开机文字 mov dl, #0x00 mov ax, #0x0800 ! ah=8，获得磁盘驱动器的参数 int 0x13 mov ch, #0x00 mov sectors, cx mov ah, #0x03 xor bh, bh int 0x00 ! 读光标 mov cx, #24 mov bx, #0x0007 ! 7是显示属性 mov bp, #msg1 mov ax, #1301 int 0x10 !显示字符 ! 读取system模块到0x10000处 mov ax, #SYSSEG ! SYSSEG=0X1000 mov es, ax call read_it ! 读入system jmpi 0, SETUPSEG ! 转入0x9020:0X0000执行setup.s
3.引导扇区代码setup.s
读取硬件参数，将操作系统移动到0地址处，进入保护模式，初始化一个很简单的gdt表，跳转到system模块
1. setup主要任务是读取硬件参数，初始化一个数据结构来管理这些硬件设备，并移动操作系统到内存0地址处。其中0x15中断是读取扩展内存大小（Intel原先内存只有1m，我们把1m以外的内存称为扩展内存）放在ax寄存器里，之后放到内存0x90002处。接下来do_move将0x90000处开始的数据移动到内存绝对地址0x00000处。
! 取光标位置，包括其他硬件参数，放到0x90000处 start : mov ax, #INITSEG mov ds, ax mov ah, #0x03 xor bh, bh int 0x10 mov [0], dx ! 光标位置设置为0x90000 mov ah, #0x88 int 0x15 mov [2], ax ... ! 读取扩展内存的大小(1m以外的内存称为扩展内存), 放在0x90002处 cli ！ 不允许中断 mov ax, #0x0000, cld ! 设置读取目标位置和递增读取方式 ! 将system模块从0x10000动到0x00000处 do_mov: mov es, ax add ax, #0x1000 cmp ax, #0x9000 jz end_mov ! 若ax=0x9000，表示移动完成，则跳出 mov ds, ax sub di, di sub si, si ! 设置源地址0x90000和目标地址0x00000 mov cx, #0x8000 ! 设置移动数据的长度 rep movsw ! 将system模块移动到0地址 jmp do_move
2. 进入保护模式。cs左移4位+ip最大有20位地址，也就是最大内存空间只有1M。setup最后一步要从16位机切换到32寻址方式。
实模式：CS:IP，CS << 4 + IP，共20位寻址空间
保护模式：CS实际上是查表GDT（Global Descriptor Table），地址为CS查表 + IP
mov ax,#0x0001 ! 将0x0001放入ax寄存器 mov cr0,ax ! 将ax放入cr0寄存器，这一步非常重要 ! cr0寄存器最后一位是0的时候是CS:IP实模式 ! cr0寄存器最后一位是1的时候是保护模式，需要走另外一条解释指令的电路 jmpi 0,8 ! cs:8, ip:0; 这里实际上跳转的地址就是0地址
4.head.s
head.s是system中的第一个模块，负责重新加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表，重新设置全局描述符表，设置分页处理机制（一个页目录表和4个页表），打开20号地址线访问4G内存，并且将main函数压栈，head执行完后弹出main，转到main函数。
startup_32: movl $0x10, %eax ! 现在开始是32位汇编，前面的放入后面 mov %ax, %ds mov %ax, %es mov %as, %fs mov %as, %gs ! 指向gdt的0x10数据项 lss _stact_start, %esp ! 设置系统栈 call setup_idt ! 设置中断描述符表子程序 call setup_gdt ! 设置全局描述符表子程序 mov $0x10, %eax ! 重载所有的段寄存器 ...
5.main函数
main函数中有大量初始化函数，例如初始化硬盘，初始化内存，将每4K内存作为一个页等等
6.系统调用
普通函数调用是通过call跳转对应函数的地址继续执行
系统调用是调用系统库中为该系统调用编写的一个接口函数，叫 API（Application Programming Interface）。API 并不能完成系统调用的真正功能，它要做的是去调用真正的系统调用，过程是：
- 把系统调用的编号存入
%eax，把函数参数存入其它通用寄存器 - 触发
int 0x80号中断（0x80中断描述符在系统初始化时设置了自动调用system_call） - 最后
system_call中根据%eax的编号调用对应的函数
这里研究 close() 中的API，以宏 _syscall1(int, close, int, fd) 为例子，它在 include/unistd.h 中定义了展开的形式
__NR_close 在 include/unistd.h 中定义为 6
下面是 API 的定义。它先将宏 __NR_close 存入 EAX，将参数 fd 存入 EBX，然后进行 0x80 中断调用。调用返回后，从 EAX 取出返回值，存入 __res，再通过对 __res 的判断决定传给 API 的调用者什么样的返回值
/* * 定义了一个返回值 long 型变量 __res * __asm__ 表示内嵌汇编代码 * volatile 表示编译器不优化该段代码 * =a中 = 表示只写，a表示先将结果输出到 %eax 中，再由 %eax 输出到__res * 0表示和输出寄存器是同一个寄存器，也就是将 __NR_close 放入 %eax * b表示将 fd 放入 %ebx */ int close(int fd) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80" : "=a" (__res) : "0" (__NR_close),"b" ((long)(fd))); if (__res >= 0) return (int) __res; errno = -__res; return -1; }
在内核初始化时，主函数调用了 sched_init() 初始化函数：
void main(void) { // …… time_init(); sched_init(); buffer_init(buffer_memory_end); // …… }
sched_init() 在 kernel/sched.c 中定义为：
void sched_init(void) { // …… set_system_gate(0x80,&system_call); }
set_system_gate 是个宏，在 include/asm/system.h有定义。这段宏就是填写 IDT（中断描述符表），将 system_call 函数地址写到 0x80 对应的中断描述符中，也就是在中断 0x80 发生后，自动调用函数 system_call
下面是 system_call。该函数纯汇编编写，是真正的中断处理程序，定义在 kernel/system_call.s 中。
call sys_call_table(,%eax,4) 之前是一些压栈保护，修改段选择子为内核段，之后是看看是否需要重新调度。
根据汇编寻址方法它实际上是：call sys_call_table + 4 * %eax，其中 eax 中放的是系统调用号，即 __NR_xxxxxx。
sys_call_table 一定是一个函数指针数组的起始地址，它定义在 include/linux/sys.h 中：
fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,...}
!…… ! # system_call部分代码 ! # 这是系统调用总数。如果增删了系统调用，必须做相应修改 nr_system_calls = 72 !…… ! # system_call 用 .globl 修饰为其他函数可见 .globl system_call .align 2 system_call: ! # 检查系统调用编号是否在合法范围内 cmpl \$nr_system_calls-1,%eax ja bad_sys_call push %ds push %es push %fs pushl %edx pushl %ecx ! # push %ebx,%ecx,%edx，是传递给系统调用的参数 pushl %ebx ! # 让ds, es指向GDT，内核地址空间 movl $0x10,%edx mov %dx,%ds mov %dx,%es movl $0x17,%edx ! # 让fs指向LDT，用户地址空间 mov %dx,%fs call sys_call_table(,%eax,4) ! # 关键代码 pushl %eax movl current,%eax cmpl $0,state(%eax) jne reschedule cmpl $0,counter(%eax) je reschedule
7.实验
增加系统调用whoami和iam，首先在 include/linux/sys.h 中添加我们的系统调用函数
在 include/unistd.h 中增加我们的宏定义编号，这里需要去系统里修改，使用 sudo ./mount-hdc 可以挂载Linux的系统盘，然后在这里修改它的系统调用号，不然打包以后这里不会修改到系统里
在 kernel/system_call.s 中修改调用的总数
修改 kernel/Makefile 中对程序源文件的编译和链接规则，Make指令完全按照Makefile文件工作
编写who.c文件
#include <asm/segment.h> #include <errno.h> #include <string.h> char _myname[24]; int sys_iam(const char *name) { char str[25]; int i = 0; do { // get char from user input str[i] = get_fs_byte(name + i); } while (i <= 25 && str[i++] != '\0'); if (i > 24) { errno = EINVAL; i = -1; } else { // copy from user mode to kernel mode strcpy(_myname, str); } return i; } int sys_whoami(char *name, unsigned int size) { int length = strlen(_myname); printk("%s\n", _myname); if (size < length) { errno = EINVAL; length = -1; } else { int i = 0; for (i = 0; i < length; i++) { // copy from kernel mode to user mode put_fs_byte(_myname[i], name + i); } } return length; }
编写我们的系统调用代码iam.c和whoami.c，接下来就完成了一个系统调用
测试我们编写的系统调用是否可以运行
完整的流程是在 iam.c 中通过 _syscall1 进行宏展开并调用，展开后会根据传入的函数名组成对应的 __NR_iam 调用号并存入 %eax，然后触发 int0x80 中断，进入 system_call 汇编函数，该函数中通过 call sys_call_table(,%eax,4) 调用真正的处理函数 sys_iam 进行处理
