第一部分完结 进入内核前的苦力活

低并发编程

共 1954字,需浏览 4分钟

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2021-12-17 09:51

第一部分总共有十回,这里是目录

开篇词
第一回 | 最开始的两行代码
第二回 | 自己给自己挪个地儿
第三回 | 做好最最基础的准备工作‍
第四回 | 把自己在硬盘里的其他部分也放到内存来
第五回 | 进入保护模式前的最后一次折腾内存
第六回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题
第七回 | 六行代码就进入了保护模式
第八回 | 烦死了又要重新设置一遍 idt 和 gdt
第九回 | Intel 内存管理两板斧:分段与分页
第十回 | 进入 main 函数前的最后一跃!

这张图展示了整个系列的结构


那今天就来整体梳理一下第一部分的内容,看过的同学跟着我回顾一下,没看过的同学,借着这波机会上车,也是不错的选择。

话不多说,我们开始。

当你按下开机键的那一刻,在主板上提前写死的固件程序 BIOS 会将硬盘中启动区的 512 字节的数据,原封不动复制到内存中的 0x7c00 这个位置,并跳转到那个位置进行执行,


有了这个步骤之后,我们就可以把代码写在硬盘第一扇区,让 BIOS 帮我们加载到内存并由 CPU 去执行,我们不用操心这个过程。

而这一个扇区的代码,就是操作系统源码中最最最开始的部分,它可以执行一些指令,也可以把硬盘的其他部分加载到内存,其实本质上也是执行一些指令。这样,整个计算机今后如何运作,就完全交到我们自己的手中,想怎么玩就怎么玩了。

这是 第一回 | 最开始的两行代码 讲的内容。

接下来,直到 第四回 | 把自己在硬盘里的其他部分也放到内存来,我们才讲到整个操作系统的编译和加载过程的全貌,就是下面这张图。



而我们整个的第一部分,其实就在讲 boot 文件夹下的三个汇编文件的内容,bootsect.s,setup.s 以及后面要和其他全部操作系统代码做链接的 head.s。

前五回的内容一直在调整内存的布局,把这块内存复制到那块,又把那块内存复制到这块,所以在 第五回 | 进入保护模式前的最后一次折腾内存 的结尾,我让你记住这样一张图,在很长一段时间这个内存布局的大体框架就不会再变了,前五回的内容你也可以抛在脑后了。


从第六回开始往后,就是逐渐进入保护模式,并设置分段、分页、中断等机制的地方。最终的内存布局变成了这个样子。


你看,idtr 寄存器指向了 idt,这个就是中断的设置;gdtr 寄存器指向了 gdt,这个就是全局描述符表的设置,可以简单理解为分段机制的设置;cr3 寄存器指向了页目录表的位置,这个就是分页机制的设置。

中断的设置,就引出了 CPU 与操作系统处理中断的流程。


分段和分页的设置,引出了逻辑地址到物理地址的转换。


具体来说,逻辑地址到线性地址的转换,依赖 Intel 的分段机制。


而线性地址到物理地址的转换,依赖 Intel 的分页机制。


分段分页,就是 Intel 管理内存的两大利器,也是内存管理最最最最底层的支撑。

而 Intel 本身对于访问内存就分成三类:

代码
数据

而 Intel 也提供了三个段寄存器来分别对应着三类内存:

代码段寄存器(cs)
数据段寄存器(ds)
栈段寄存器(ss)

具体来说:

cs:eip 表示了我们要执行哪里的代码。
ds:xxx 表示了我们要访问哪里的数据。
ss:esp 表示了我们的栈顶地址在哪里。

而第一部分的代码,也做了如下工作:

ds 设置为了 0x10,表示指向了索引值为 2 的全局描述符,即数据段描述符。
cs 通过一次长跳转指令设置为了 8,表示指向了索引值为 1 的全局描述符,即代码段描述符。
ss:esp 这个栈顶地址设置为 user_stack 数组的末端。

你看,分段和分页,以及这几个寄存器的设置,其实本质上就是安排我们今后访问内存的方式,做了一个初步规划,包括去哪找代码、去哪找数据、去哪找栈,以及如何通过分段和分页机制将逻辑地址转换为最终的物理地址

而所有上面说的这一切,和 Intel CPU 这个硬件打交道比较多,设置了一些最最最最基础的环境和内存布局,为之后进入 main 函数做了充分的准备,因为 c 语言虽然很底层了,但也有其不擅长的事情,就交给第一部分的汇编语言来做,所以我称第一部分为进入内核前的苦力活

接下来,也就是从第二部分开始,我将会讲述 main.c 里的 main 函数,短短几行,包含了操作系统的全部核心思想。
void main(void) {
    ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
    drive_info = DRIVE_INFO;
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
    memory_end &= 0xfffff000;
    if (memory_end > 16*1024*1024)
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();
    sti();
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {
        init();
    }
    for(;;) pause();
}

敬请期待吧!


另外,前十回几乎每一回都有资料扩展部分,基本是围绕着 Intel 手册,把一些文中提到的知识点在一手资料中给出标准答案,大家可以多看看,培养下自己看一手资料的习惯。


由此也可以看出,前十回的苦力活,大部分是在和 Intel CPU 这个硬件打交道,因此阅读 Intel 技术手册从而了解 CPU 体系结构和机制,是理解这一切最直接和有效的办法。


以下列出我所有让大家扩展阅读的资料


有关寄存器的详细信息,可以参考 Intel 手册:

Volume 1 Chapter 3.2 OVERVIEW OF THE BASIC EXECUTION ENVIRONMEN

如果想了解计算机启动时详细的初始化过程,还是得参考 Intel 手册:

Volume 3A Chapter 9 PROCESSOR MANAGEMENT AND INITIALIZATION

如果想了解汇编指令的信息,可以参考 Intel 手册:

Volume 2 Chapter 3 ~ Chapter 5

保护模式下逻辑地址到线性地址(不开启分页时就是物理地址)的转化,看 Intel 手册:

Volume 3 Chapter 3.4 Logical And Linear Addresses

关于逻辑地址-线性地址-物理地址的转换,可以参考 Intel 手册:
Intel 3A Chapter 3 Protected-Mode Memory Management

段描述符结构和详细说明,看 Intel 手册:

Volume 3 Chapter 3.4.5 Segment Descriptors

页目录表和页表的具体结构,可以看 

Intel 3A Chapter 4.3 32-bit paging

关于 ret 指令,其实 Intel CPU 是配合 call 设计的,有关 call 和 ret 指令,即调用和返回指令,可以参考 Intel 手册:
Intel 1 Chapter 6.4 CALLING PROCEDURES USING CALL AND RET


资料就摆在你眼前了,你再不去看,我就没办法咯,加油!



------- 关于本系列 -------



本系列的开篇词看这

闪客新系列!你管这破玩意叫操作系统源码


本系列的扩展资料看这(也可点击阅读原文),这里有很多有趣的资料、答疑、互动参与项目,持续更新中,希望有你的参与。

https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk


本系列全局视角



最后,祝大家都能追更到系列结束,只要你敢持续追更,并且把每一回的内容搞懂,我就敢让你在系列结束后说一句,我对 Linux 0.11 很熟悉。


另外,本系列完全免费,希望大家能多多传播给同样喜欢的人,同时给我的 GitHub 项目点个 star,就在阅读原文处,这些就足够让我坚持写下去了!我们下回见。

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