一个操作系统的设计与实现——第26章 多处理器（下）：应用处理器引导
26.1 应用处理器
当计算机启动时，不管其中有多少个CPU，都只有一个CPU会真正启动，这个CPU就称为引导处理器（Bootstrap Processor，BSP）；而其他CPU会等待被BSP唤醒，这些CPU就称为应用处理器（Application Processor， AP）。
BSP可以在任意时刻向所有AP广播唤醒信号，当AP接受到信号后，就会启动BIOS，随后跳转到操作系统为其提供的引导程序处继续执行。具体来说，唤醒功能由LAPIC提供，想要唤醒AP时，BSP应先向0xfee00300发送固定的0x000c4500，再向同一地址发送0x000c4600 | AP引导程序的第12~19位。也就是说，AP引导程序需要满足以下两个条件：
- 只能使用20位内存地址
- 对齐到
0x1000
在我们的操作系统中，AP引导程序位于硬盘的1号扇区，并加载到0x8000处，能够满足上述条件。
需要指出的是：笔者发现在bochs中，上述两次发送不能连续进行，而是需要在中间添加一个"跳转到下一行"的指令，这可能是bochs的一个bug。这个指令的机器语言为：db 0xeb, 0x0。
AP的引导时机是可以自由选择的。这意味着：AP引导程序可以使用各种现成的组件，如PML4、GDTR、IDTR等，这就使得AP引导程序是非常简单的，其是BSP引导过程的简化版。
26.2 LAPIC的开关
默认状态下，只有BSP的LAPIC是打开的，可以直接使用，而AP的LAPIC是关闭的。LAPIC的开关位于0xfee000f0地址处的第8位，将其置1即可打开LAPIC。
26.3 AP的自我识别
每个CPU都有一个编号，BSP的编号是0，AP的编号从1开始向后顺延。编号由LAPIC提供，位于0xfee00020地址处的第24~31位。
26.4 引导AP前的准备
每个CPU的寄存器是独立的，但内存是共享的。因此，PML4，GDT，IDT等位于内存中的组件均可在CPU之间共享，而GDTR，IDTR可使用sgdt/sidt存入内存后共享。
TSS用于获取任务的0特权级栈，由于每个CPU都会运行一个任务，因此TSS不能在CPU之间共享，而是应该为每个CPU分别安装一个。
请看本章代码26/Mbr.s。
第156~158行，在GDT中再安装3个TSS描述符。这些TSS的地址从0xffff800000092000 + 128开始向后顺延，每个TSS的大小拓展到128字节。
接下来，请看本章代码26/Task.hpp。
第10行，定义CPU的数量为4。也就是说，我们的操作系统固定使用1个BSP和3个AP。
第16行，将所有TSS清零。
第18~21行，关闭所有TSS的IO位图功能。
26.5 AP引导程序的实现
AP的引导是在操作系统启动后期才开始的，此时的操作系统处于IA32-e模式，使用的是64位ELF格式的代码，但AP处于实模式，不能使用64位ELF格式的代码。因此，AP的引导分为两阶段进行：
- 第一阶段：利用现成的GDT和PML4快速进入IA32-e模式。这一阶段的引导程序是独立的，其位于硬盘的1号扇区
- 第二阶段：在IA32-e模式下继续引导。这段引导程序是内核的一部分
请看本章代码26/AP.h。
第3行，声明了apInit函数。这个函数是用汇编语言实现的。
接下来，请看本章代码26/AP.s。
第10行，定义CPU的数量为4。
第18~21行，为AP引导程序准备信息，这些信息如下表所示：
| 地址 | 字节数 | 含义 |
|---|---|---|
0x7e00 |
10 | GDTR |
0x7e10 |
10 | IDTR |
0x7e20 |
8 | AP的第二阶段引导程序的入口 |
第23~26行，将AP的第一阶段引导程序从1号扇区读取到0x8000处。
第28~31行，向AP广播唤醒信号。
第33~36行，等待所有AP引导完成。这段代码的原理见下。
接下来，请看本章代码26/APBoot.s。
APBoot.s是AP的第一阶段引导程序，其相当于简化版的Mbr.s。
第3行，直接从0x7e00加载GDTR。GDTR已经由BSP准备完毕。
第5~24行，进入保护模式并初始化所有段寄存器。
第26~27行，直接安装BSP已经准备好的PML4。
第29~42行，进入IA32-e模式。
第48行，跳转到AP的第二阶段引导程序。
接下来，请看本章代码26/AP.s。
apBoot64函数是AP的第二阶段引导程序，其实现可以对照Kernel.c，如下表所示：
| BSP | AP |
|---|---|
printInit |
不需要 |
memoryInit |
不需要 |
intInit |
需要初始化APIC，并lidt [0x7e10] |
taskInit |
需要安装TR、IA32_GS_BASE以及内核任务 |
fsInit |
不需要 |
keyboardInit |
不需要 |
syscallInit |
需要，可直接调用syscallInit函数 |
apInit |
不需要 |
shellInit |
不需要 |
sti |
需要 |
for (;;) |
需要 |
deleteTask |
不需要 |
hlt |
需要 |
第46~47行，直接从0x7e00加载64位的GDTR，从0x7e10加载64位的IDTR。GDTR与IDTR已经由BSP准备完毕。
第49~51行，取得AP的编号。
第53~56行，计算AP的TCB地址。计算公式为：TCB地址 == 0xffff8000000a0000 - (AP编号 + 1) * 0x1000。
第58行，安装0特权级栈。
第60~61行，打开LAPIC。
第62~64行，设定LAPIC定时器。
第66~70行，设定IO APIC中的时钟中断。
第72~74行，安装TR。计算公式为：tr选择子 == (AP编号 * 2 + 7) << 3。
第76~83行，安装IA32_GS_BASE。其值等于AP的TSS地址，计算公式为：gs段基址 == TSS地址 == 0xffff800000092000 + AP编号 * 128。
第85~87行，安装内核任务。
第89行，安装快速系统调用。
至此，AP引导完毕。
第91行，在总线锁定状态下将apInitFlag加1。apInitFlag是一个初值为1的计数器，当其值增加到4时，就表示所有AP均引导完毕。
第93行，打开中断。
至此，AP也能参与时钟中断，并切换到其他任务执行了。现在的taskQueue中一共存在5个永不退出的任务，它们分别是：
- 一个带有任务回收功能的任务
- 三个无操作任务
- 一个外壳程序
在任意时刻，这些任务被哪个CPU执行是未知的，也就是说，BSP与AP现在已经没有区别了。
第95~98行，挂起AP。构成上述三个无操作任务中的一个。
第100~101行，定义AP初始化计数器apInitFlag。
26.6 编译与测试
首先，bochs在默认状态下只有一个CPU。在其配置文件中增加一行：cpu: count=4，即可使bochs启用4个CPU。
本章代码26/Makefile增加了APBoot.s与AP.s的编译与链接命令。
本章代码26/Kernel.c测试了多处理器环境下的任务切换。现在， 当多次加载Test.c任务后，所有任务的总运行时间应明显加快。
至此，我们已经实现了一个64位多处理器操作系统。
