操作系统实验Ucore:Kernel_init(四)

本文首发于我的博客
上一节进行到了kernel_init的printf_kernelinfo，继续往下分析

1.pmm_init

这个函数，顾名思义是用来初始化物理内存的函数，这个函数只会调用gdt_init()

这里我稍微修改了一下代码框架，原本的gdt_pd的定义为注释部分

这段代码看上去没问题，但是实际跑的时候就会发现gdt_pd的两个字段都是0。

我写了一个程序来模拟这种情况，看上去好像没有问题，但这个程序是无法通过编译的。

这个错误告诉我们编译器无法在执行前算出a1的地址。所以不可以这样初始化变量。

至于为什么会这样，改天再研究吧。现在先关注到实验上来。总之，这样改完之后，程序就可以正确运行了。

关于TSS的部分现在先不用管，然后就到了lgdt函数的位置了

我们要执行pmm_init的意义就在于我们需要重新为内核建立段描述符。第一次建立段描述符还是在bootasm中，那时候我们刚从实模式进入保护模式，那时候建立的段描述符有3个

• 空描述符

• 代码段描述符

• 数据段描述符

现在内核需要建立六个描述符

对于我们的操作系统来说，所有的段描述符都是可以访问4G的内存的，唯一的区别在于权限的不同，我们实际上并没有使用分段机制，这叫做 平坦内存模型(Flat memory model)。

在使用lgdt指令加载完gdt之后，刷新各个段寄存器。最后还会执行一条ljmp指令

关于这个ljmp，在实模式进入保护模式时也有涉及，但当时没有注意，现在看到书上的描述，才知道这样做的意义。

• 使用ljmp指令可以重新加载CS段寄存器，并刷新其对应的缓存器，使其指向正确的地址

• 在实模式进入保护模式时，这样做的另一个目的是清空流水线，在进入把保护模式时，ljmp之后的指令已经进入了流水线，而且完成了译码阶段，所以要清空流水线，重新按照32位模式加载指令。（理解这部分内容需要了解CPU流水线）

至此，内存的段描述符就建立完成了。gdt_init函数也全部执行完了

2.pic_init

这段程序没有深入的研究，其和操作系统的内核也没有太大的关系，主要是和初始化外设（另一个原因是我也不会…）。暂时先了解：

• 这个东西是 8259A芯片，pic的全称是（Programmable Interrupt Controller）可编程的中断控制器

• 所有的外部中断都不直接于CPU进行通讯，而是由8259A统一收集中断请求后再交给CPU

• 8259A芯片可以编程屏蔽部分外界中断，对于一个中断，其能被处理的先决条件是没有被8259A芯片屏蔽且CPU没有屏蔽外界中断（Eflags 寄存器的 IF 位）

• 一个8259A只有八个中断引脚，一般使用两个8259A组成级联（Cascade）关系。这样一共支持15个外部中断，我们可以编程来给中断引脚分配中断号

• outb(IO_PIC1 + 1, IRQ_OFFSET);
  outb(IO_PIC2 + 1, IRQ_OFFSET + 8);
  这两句话比较关键，告诉我们主片的中断号从32开始，从片的从40开始

至于为什么从这里开始，是因为Intel将32以下的终端号保留使用，用户正常情况下可以使用32-255号中断

3.idt_init

初始化完8259之后，就要初始化中断的处理了。

这个部分比较复杂，需要多看几次才能理解，我也尽量讲清楚。

在idt_init中，需要初始化中断描述符表，这个表的位置在数据段中。一共有255个表项，对应着可以接收的255个中断号。由于CPU在接收到中断的时候会根据此项来确定中断处理函数的地址，所以一个idt表项中应当含有中断处理函数的CS：IP值，在这里就是CS段选择子和中断处理程序的偏移量。

我们使用kernel的代码段作为段选择子，偏移由__vectors数组指定。注意，现在所有的段选择子的基址都是0，也即是说，偏移的地址就是实际的物理地址。

__vectors数组存放在数据段中，依据255 * 4 的方式组织，每一项是一个指向对应异常处理函数地址的指针。

异常处理函数有255个，由vector开头加上异常号，这些函数连续的放在代码段中。

每一个异常处理函数的工作都是类似的，先push异常号，然后跳转，至于为什么这样，后文再说。

现在来总结一下一共用到了哪些变量

• idt[256] 位置：数据段 作用：用来根据异常号选择异常处理程序。
• __vectors 位置：数据段 作用：用来初始化idt，与中断处理无关。
• vectorX函数 位置：代码段 作用：实际的异常处理函数。

4.中断

之后就是初始化时钟，使能中断，我们主要来看看中断时如何处理 的。

关于中断的处理，需要分成两个部分，一个是CPU硬件的部分，一个是操作系统的部分。

首先说硬件，ucore的指导书上写的很详细，我这里总结一下，不过先阶段我并没有考虑权限的问题，因为第一个用户进程还没有起来，我们现在一直都在内核态。

cpu的工作为：

• 再执行每一条指令之后，都检查有没有中断产生

• 如果有中断，则根据 IDTR 找到 IDT，在根据中断编号找到对应的IDT表项

• 压入 eflags ，cs ，eip ， errorcode

• 跳转到异常处理函数（根据idt的cs和eip）

cpu执行完之后，栈中就有了eflags，cs，ip和errcode。然后再由操作系统接手。

操作系统的工作：

首先调用的时 vectorX 函数，此函数push 异常号，调用 __alltraps 函数。

__alltraps 压入 ds ，es ， fs ，gs再压入所有的通用寄存器，然后将段寄存器换成内核代码段，最后压入 esp，call trap 函数。

trap函数使用C语言写的，需要一个类型为 trapframe 的参数。真个过程的关键，就在于这个参数是怎么传递的。

5. 中断的参数传递

首先我们看一下从中断开始到进入trap函数，栈里究竟多了些什么。

CPU压入了eflags，cs，eip，errorcode。

vectorX压入了中断号

__alltraps压入了ds，es，fs，gs + 通用寄存器 + esp

画出图来就是这个样子。一般来说，函数的调用会由编译器来组织参数的传递，但是我们这次时从汇编语言到C语言只能自己来手动传递参数，更具上一篇文章的经验，我们知道，返回地址上面的一个数据就是函数的最左参数，这里是esp，也就是说，我们将esp当作第一个参数传入了trap函数

当我们压入esp时，esp指向的是我们压入的倒数第二个数据，也就是通用寄存器的最后一个。

再看esp上面的栈结构，比对一下trapframe结构体，会发现竟然是完全一模一样的！

传进去的参数就是一个指向trapeframe的指针，这里需要根据实际的内存来构造trapframe结构体，需要注意的就是，通用寄存器的地址最低（最后入栈），所以在结构体中的第一个，还有就是由于push的都是32位的数据，要对16位的段寄存器进行填充。

这样构造完成之后，在trap函数中就可以快乐的访问trapframe的内容了

当然到现在还只是猜测，我门需要验证一下，打开gdb，扫描一下内存，就会发现：

从高地址往低地址，依次是

0x00000216：eflags

0x00000008：cs （内核数据段，第一个段描述符，偏移8）

0x0010007a: eip（对应lab1里的while（1）代码）

0x00000000：errorcode（这个不太清楚，可能没有）

0x00000020：32，中断号

0x00000010：内核数据段（ds，第二个段描述符，偏移16）

。。。

0x00007b8c：作为参数的esp

0x00102bf1：__alltraps函数的返回地址

事实证明，内存的分布确实如此

6.code

第二个编程任务，要求我们每100个ticks在终端输出100ticks

有了前面的基础，这个就非常简单了，只要在trap_dispath里加几句就行。

效果就是每秒输出一个“100 ticks”，同理，其他的异常也在这个函数里实现。

7.总结

到这里，Lab1就算做完了，整体上入门实验还是比较困难的，要求的前置知识有很多。我也是尽量的弄明白一些部分，还有些不太懂得就先跳过了…

下一篇来回答Lab1提出的的几个问题

如有错误，欢迎指出~