一个操作系统的设计与实现——第22章 64位任务
22.1 64位TSS与TSS描述符
想要实现任务,就需要先安装好TSS与TSS描述符。
64位TSS如下图所示:
如图所示,64位TSS的大小不变,还是104字节。64位CPU淘汰了硬件任务切换和数据段寄存器,因此,64位TSS的组成与32位TSS完全不同,其已不具备保存寄存器的功能,其中的大部分字节用于中断栈表(Interrupt Stack Table,IST),这个功能在我们的操作系统中没有使用。在我们的操作系统中,TSS的作用是取得0特权级栈,这与32位操作系统一样。
64位TSS描述符与中断门类似:在32位TSS描述符的基础上增加了8字节,用于存放TSS地址的高32位,如下图所示:
22.2 实现64位任务
想要实现任务加载,就需要先实现硬盘驱动。硬盘驱动的实现位于本章代码22/HD.h
与22/HD.s
中,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。
想要实现任务切换,就需要先实现带关中断功能的任务队列。任务队列的实现位于本章代码22/Queue.h
与22/Queue.hpp
中,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。
接下来,请看本章代码22/Mbr.s
。
第155行,在GDT中增加TSS描述符,其索引值为7。TSS固定放置在0xffff800000092000
处。
接下来,请看本章代码22/Task.h
。
第7~14行,定义了TCB。我们需要关注此结构体部分成员的偏移量:
__tcbNode
中有两个指针,所以__CR3
的偏移量是0x10
__RSP0
的偏移量是0x18
__taskQueue
的偏移量是0x20
这些偏移量稍后将用在汇编语言中。
第16~23行,声明了任务队列,以及任务的各类接口。
接下来,请看本章代码22/Task.hpp
。
第10行,定义了任务队列和退出队列。
__tssInit
函数用于安装TSS、TR以及IA32_GS_BASE
。
第14行,将TSS清零。TSS只有104字节,但这里写的是128字节,这样做的目的是:将TSS拓展到128字节,多出的字节保留给后续章节使用。
第15行,填写TSS的IO位图基址字段,如果这个值大于等于TSS限长,则IO位图不存在。
第17行,加载TR。
TSS在0xffff800000092000
处,在任务切换时,我们需要访问TSS,并安装新的RSP0。TSS的地址是64位的,因此在访问前需要先使用mov
指令。不过,还有更方便的办法:将fs/gs
的段基址直接设定为0xffff800000092000
,然后基于fs/gs
访问TSS。
fs/gs
的段基址可由IA32_FS_BASE
和IA32_GS_BASE
这两个MSR设定,其编号分别为0xc0000100
和0xc0000101
,将edx:eax
拼成一个64位的地址即可。在我们的操作系统中,选用的是gs
。
第18行,将IA32_GS_BASE
设定为0xffff800000092000
。
__kernelTaskInit
函数用于安装内核任务的TCB。TCB的__RSP0
成员在任务切换时设定,__vBitmap
成员用于3特权级任务,因此这两个成员无需设定。
taskInit
函数是主函数。
getTCB
函数用于获取当前TCB。TCB与0特权级栈位于同一页,因此,只需要将RSP0向下对齐到页边界即可。
__getRFLAGS
函数用于获取一个打开IF位的rflags
。该函数在伪造栈时使用。
loadTaskPL0
与loadTaskPL3
函数用于加载任务,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。
需要注意的是:与32位操作系统不同,新操作系统的外壳程序不再具备等待任务的功能,任务在运行期间的行为类似于Linux的后台任务。因此,不再有shellQueue
,loadTaskPL3
函数的末尾也不再立即进行任务切换。
deleteTask
函数用于回收exitQueue
中的TCB。
接下来,请看本章代码22/Task.s
。
taskExit
函数用于任务退出。
第13行,回收任务内存空间中的所有内存,在我们的操作系统中,这部分内存包括任务的ELF文件要求的内存,以及任务的3特权级栈。
第15~19行,将任务的TCB加入exitQueue
。
第21行,跳转至__nextTask
。这个地址位于Int.s
,作用是从taskQueue
中取出一个新的TCB,并切换到新任务。
接下来,请看本章代码22/Int.s
。
intTimer
函数现在用于任务切换。
第79~81行,计算当前任务的TSS。
第83行,将rsp
保存到TSS的__RSP0
成员中。
第85~87行,将TSS加入TSS的__taskQueue
成员所指定的任务队列中。
第89行,声明了taskExit
函数使用的__nextTask
标签。
第91~93行,从taskQueue
中取出一个新的TSS。
第95~96行,安装新任务的PML4。
第98行,安装新任务的栈。
第100~101行,将新任务的0特权级栈安装到TSS中。这里使用了先前设定的IA32_GS_BASE
。
第103~119行,从中断返回到新任务。
22.3 编译与测试
本章代码22/Test.c
用于测试3特权级任务。我们虽然已经实现了任务退出函数,但还没有为其安装系统调用,因此任务是不能退出的。
本章代码22/Makefile
增加了Task.s
、HD.s
、Test.c
的编译与链接命令。
本章代码22/Kernel.c
测试了loadTaskPL3
与deleteTask
函数。由于3特权级任务什么都不能做,因此读者可在bochsdbg
中观察测试结果。