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关于操作系统:从零开始写-OS-内核-GDT-与保护模式

jiezi

系列目录

  • 序篇
  • 筹备工作
  • BIOS 启动到实模式
  • GDT 与保护模式
  • 加载并进入 Kernel
  • 显示与打印
  • GDT 和 IDT，中断解决
  • 关上虚拟内存
  • 实现堆和 malloc
  • 创立第一个内核线程
  • 多线程运行与切换
  • 锁与多线程同步
  • 过程的实现
  • 进入用户态
  • 一个简略的文件系统
  • 加载可执行程序
  • 零碎调用的实现
  • 键盘驱动
  • 运行 shell

从 mbr 到 loader

接上一篇 BIOS 启动到实模式，这篇开始 loader 的编写。首先回顾一下那张磁盘镜像和内存分布图：

目前只须要关注 1MB 一下的内存散布，次要是黄色 mbr 和蓝色 loader 局部。上一篇中曾经将 mbr 加载到内存，并且程序流通过 mbr 最初一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR (0x8000) 曾经执行到了 loader 的入口处，接下来就须要将 loader 实现。

loader 的工作

总的来说，loader 的工作次要有以下几项：

  • 建设 GDT（Global Descriptor Table），初始化内核代码和数据段寄存器（segment registers），率领 CPU 进入保护模式（protection mode）；
  • 建设 kernel 页目录（page directory）和页表（page tables），关上虚拟内存（virtual memory），进入 paging 模式；
  • 加载 kernel 镜像到内存，而后进入到 kernel 代码执行，至此零碎的控制权转交到了 kernel；

能够看到 loader 的工作是比拟多的，并且曾经波及到了 x86 体系架构中的一些外围局部，因而为了读懂并实现 loader，你必须做好以下的常识筹备：

  • GDT，段内存寻址，段寄存器，保护模式；
  • 虚拟内存，页目录，页表；
  • elf 文件格式，因为 kernel 会被编译链接成该格局的文件；

loader 实现

依然和之前一样，先给出我的我的项目代码链接 src/boot/loader.S，供你参考。

这个源代码曾经比拟多了，尤其是它还是汇编写成的，而且代码里还蕴含了很多工具函数和打印相干的函数。为了防止陷入凌乱，这里抽取出几个最重要的要害节点（函数），别离代表了下面所述的 loader 须要做的几项工作：

# 入口
loader_start

# 初始化 GDT 并进入保护模式
setup_protection_mode
protection_mode_entry

# 初始化 kernel 页目录和页表
setup_page

# 加载并进入 kernel
init_kernel

接下来咱们一个一个实现这些性能。本篇咱们首先初始化 GDT，进入 32-bit 保护模式 。

进入 loader

在开始之前，咱们首先看 loader 的开始局部的代码，和 mbr 一样，这里依然首先定义了 loader 编码的起始内存地址，为 0x8000，这是因为咱们事后设计好了，mbr 会将 loader 从磁盘上加载到内存 0x8000 地位处并跳转过来，所以 loader 的编址必须从该地址开始。

; LOADER_BASE_ADDR = 0x8000
SECTION loader vstart=LOADER_BASE_ADDR

接下来正式进入 loader 的第一条代码 jmp loader_start，它是一个简略的跳转，咱们跳到了 loader_start 开始真正执行 loader 的工作：

loader_entry:
  jmp loader_start

; 全局数据
; ...

loader_start:
  call clear_screen
  call setup_protection_mode

如果你对这种汇编编码的形式不相熟，可能会感觉奇怪，为什么要 jmp 一下，两头跳过的局部是什么？答案是，两头是咱们要定义的数据局部，相似于 .c 文件里定义的全局变量。那里定义了一堆用来打印的字符串，以及至关重要的 GDT。

你可能曾经意识到了，汇编源代码里的指令和数据局部是能够自在混淆排布的，而且最终编译进去的二进制里它们排布程序齐全遵循源代码的排布。所以你能够任意安顿你的指令和数据所处的地位，只有指令流能顺利地流转和执行上来，不至于跑飞就行。当然，整个 loader 的起始地位，即 0x8000 处必须是入口代码，因为这是和 mbr 约定好的跳转地址。至于前面全副能够自由发挥和排布。

初始化 GDT 表

来到下面说的全局数据的定义局部，你能够跳过我退出的一些打印字符串信息，间接来到 GDT 的定义处。这里定义了 4 个 GDT entry，每个 entry 占了 8 个字节即 64 bytes。对于 GDT 的含意和字段格局，能够参考这里，也能够参考我之前举荐的 JamesM’s kernel development tutorials。这些都是 x86 体系架构的历史包袱，我不想节约笔墨再解释一遍，然而咱们的代码必须实现并听从它的法令。

GDT 第一个 entry 是保留项不做应用；第四个为显示器 video 内存段描述符，这个其实并不是必须的，你能够忽视它；所以咱们只须要关注第二和第三项即可，它们是：

  • 内核代码段（kernel code）描述符；
  • 内核数据段（kernel data）描述符；

咱们用 dd 伪指令定义这两个段描述符（segment descriptor）：

CODE_DESC:
  dd DESC_CODE_LOW_32
  dd DESC_CODE_HIGH_32

DATA_DESC:
  dd DESC_DATA_LOW_32
  dd DESC_DATA_HIGH_32

DESC_CODE_LOW_32，DESC_CODE_HIGH_32，DESC_DATA_LOW_32，DESC_DATA_HIGH_32 都定义在了 src/boot/boot.inc 中，你能够对照下面给出的手册文档验证每一个 bit。还是那句话，这是一个干燥、麻烦、粗疏然而绕不开的工作，没有什么难点，须要的是读文档手册的急躁。

进入保护模式

设置完 GDT 后，咱们就能够进入保护模式：

; enable A20
in al, 0x92
or al, 0000_0010b
out 0x92, al

; load GDT
lgdt [gdt_ptr]

; open protection mode - set cr0 bit 0
mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax

; refresh pipeline
jmp dword SELECTOR_CODE:protection_mode_entry

留神这里应用了 lgdt 指令加载 GDT，并且关上了 cr0 寄存器的保护模式的 bit 位，正式进入保护模式。前面通过一个 far jump，将 cs 段寄存器初始化为 kernel code 段。留神 cs 寄存器的值不能间接通过 mov 指令设置，而是必须通过跳转语句隐式地被设置。

跳转后，接下来程序来到 protection_mode_entry 的执行，这里初始化了几个 kernel data 段寄存器：

protection_mode_entry:
  ; set data segments
  mov ax, SELECTOR_DATA
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov ss, ax

  ; set video segment
  mov ax, SELECTOR_VIDEO
  mov gs, ax

而后就来到了 loader 的重点局部 setup_page 函数，开始建设 kernel 的虚拟内存，留待下一篇。

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