介绍

主要依据于渊老师的《Orange's一个操作系统的实现》从0实现一个初具功能的微内核操作系统.

最终实现的特性包括

• (进入保护模式)
• (分页)
• (用loader启动内核)
• (处理中断)
• (进程和调度)
• (命令行终端)
• (IPC通信)
• (扁平文件系统)
• (内存管理)

文件系统

定义了三个结构体，分别代表超级块、i-node和 目录项。 首先必须有相应的数据结构。

• 放Metadata；
• 记录扇区的使用情况；
• 来记录任一文件的信息，比如占用了哪些扇区等；
• 存放文件的索引。

tty终端

在TTY任务中执行一个循环，这个循环将轮询每一个TTY，处理它的事件，包括从键盘缓冲区读取数据、显示字符等内容。 并非每轮询到某个TTY时，箭头所对应的全部事件都会发生，只有当某个TTY对应的控制台是当前控制台时，它才可以读取键盘缓冲区 （所以图中读取过程使用了虚线）。

和原先程序区别：

1. 每一个TTY都应该有自己的读和写的动作。所以在keyboard_read( )内部，函数需要了解自己是被哪一个TTY调用。我们通过为函数传入一个参数来做到这一点，这个参数是指向当前TTY的指针。
2. 为了让输入和输出分离，被keyboard_read( )调用的in_process( )不应该再直接回显字符，而应该将回显的任务交给TTY来完成，这样，我们就需要为每个TTY建立一块缓冲区，用以放置将被回显的字符。
3. 每个TTY回显字符时操作的CONSOLE是不同的，所以每个TTY都应该有一个成员来记载其对应的CONSOLE信息。

boot启动loader，loader启动内核

512字节的引导扇区太小了，难以在其中做太多的事情，所以我们在引导扇区载入引导软盘文件系统中的LOADER.BIN，并运行之。之后再由LOADER.BIN负责将操作系统加载入内存，将CPU切换到保护模式，再跳入内核代码开始执行。

整理一下我们现在有哪些东西：

• 一个BOOT，放置在引导扇区，从BIOS手中获取控制权，入口在7c00，负责载入LOADER，并开始运行LOADER，完全运行在实模式
• 一个LOADER，放置在引导软盘文件系统中，将内核载入，切换到保护模式，,开启分页，最后跳入内核运行
• 一个内核elf格式文件，放置在引导软盘文件系统中，具体内核实现 以上三者都放置在一个安装了FAT12格式文件系统的软盘中。

特权级别转换方法

调用门可以实现从低特权级向高特权级的跳转，要注意维护TSS；ret可以实现从高特权级向低特权级的跳转，要注意维护堆栈信息。

门

门也是AT32架构处理器在保护模式提供的一种重要机制，他的最大作用在于实现从低特权级的代码向高特权级别代码的转移。

通过call一个特权级别等于或者低于自己的门，可以跳转到门描述符中选择子指向的高特权级代码段中。

谁的特权高

一共有这么几个字段和特权级别相关：

• CPL——在sc和ss寄存器中
• RPL——代表选择子的特权级
• DPL——代表段/门的特权级，在他们描述符的DPL字段中，是调用的门槛

在对数据段进行访问时：CPL和RPL都小于DPL，则可以访问。 在对代码段进行访问时：使用jmp，call，跳转到一致/非一致代码段都有差异，不能一概而论。参见书P50。

LDT与lldt

全局描述符表的确方便，我们只需要将GDT表的48位描述符赋值给gdtr，即可使用GDT表的选择子进行jmp。但实际开发中，我们往往有某些功能的段是具有紧密联系的，这些段我们可以集中放置在一张表中（LDT），将LDT表所在段的描述符维护到GDT中，再把这张表的选择子赋值给ldtr，就可以使用LDT表的选择子，直接跳转进LDT描述符描述的段中了。

备注

随着我们的程序越来越大，很快就要超过512Byte的限制了，为了解决这个问题，我们暂时先启动freedos操作系统，并且使它运行在实模式下。所以我们增加了一块freedos的软盘映像。并且将boot.asm编译成com格式，以在dos中运行。

nasm code/boot.asm -o boot.com

为了在dos环境下进行编译,我们将debug32一并拷贝进了B盘.

在进入保护模式后,我们采用Bochs段魔数停止来进行调试.方法是: 在bochsrc中添加:

magic_break: enabled=1

在boot.asm需要停止的地方加上一行代码:

	xchg bx,bx

debug32 手册

debug工具可以在dos 实模式下对com文件进行调试,调试过程中使用了DOS中断,所以到达保护跳转后会发生异常,因为此时DOS中断已经不可用.

debug 文件名.exe

-r

简单的输入-r时就是查看当前各项寄存器的值，并由当前的地址，存储的指令等等。 并且，我们可以用-r命令来对寄存器的值进行修改，如：-r ax。

-a

-a指令可以让我们依次对内存单元直接写入汇编语言，如： -a 1000：0 1000：0 mov ax，0 1000：3 mov ax，1

-d

我们可以用-d命令来查看内存中的内容，和-r类似，我们可以简单地-d来查看当前地址下往下16x8个内存单元存储的内容 同时，我们还可以通过如-d 1000：0来查看指定地址（1000：0）下的内存单元的内容，或者是用如-d 1000：0 f来查看这个地址下指定长度（ f ）的内容。

-u

和其它指令，类似，-u分为两种用法，-u可以查看当前地址（cs：ip）下16个内存单元所存储的汇编语言，而-u 1000：0可以查看指定地址下16个内存单元存储的汇编语言。 值得一提的是，若是此时debug打开了一个程序，则会显示该程序所包含的汇编语言（不严格按16位限制。

-p

一般是调试程序的时候用到，可以让计算机直接执行循环到结束（可类比-g）用法是遇到循环的时候直接-p。

-t

让cpu执行当前地址（cs：ip）所存储的命令,也就是单步执行.

-g

一般是调试程序的时候用到，可以让计算机执行到指定地点，如-g 0012（0012是目的ip）

-e

简单的-e 1000：00 01 02 03 04命令是可以依次从这个地址开始写入数据进内存单元（本行要一次完成，写完再摁enter之类的），或者是一个一个来，此时就是-e 1000：0之后直接摁空格，这时debug会显示当前内存的值如12.，其中12是内存单元的值，而.后的内容是你准备写入的，此时我们就写一个摁一次空格，而当我们不想输入这个单元时则可以空摁一次空格，需要退出-e时只需要摁一次enter。

-q

退出debug。

寄存器

让我们记录一下80x86系列芯片有那些常用寄存器，因为在后面的很长一段时间内，我们都将用汇编语言，离不开这些寄存器的名字。

8086

通用寄存器：

• AX（累加器）：用于算术和逻辑运算以及存储函数返回值。
• BX（基址寄存器）：通常用于存储内存地址。
• CX（计数器）：通常用于循环计数。
• DX（数据寄存器）：用于算术运算和I/O操作。

指针和索引寄存器：

• SI（源索引）：通常用于源数据传输。
• DI（目的索引）：通常用于目标数据传输。
• SP（堆栈指针）：指向栈顶。
• BP（基址指针）：通常用于指向栈底或存储堆栈帧指针。

段寄存器：

• CS（代码段寄存器）：存储当前代码段的地址。
• DS（数据段寄存器）：存储当前数据段的地址。
• SS（堆栈段寄存器）：存储当前堆栈段的地址。
• ES（附加段寄存器）：通常用于存储额外数据段的地址。

标志寄存器：

• FLAGS（标志寄存器）：包含处理器状态标志，如条件码和控制位。

80x86

通用寄存器

32位：EAX、EBX、ECX、EDX。

• EAX（扩展累加器）：用于算术和逻辑运算以及存储函数返回值。
• EBX（扩展基址寄存器）：通常用于存储内存地址。
• ECX（扩展计数器）：通常用于循环计数。
• EDX（扩展数据寄存器）：用于算术运算和I/O操作。 低16位可以当做16位寄存器来使用 去掉前缀E AX、BX... 它们的低16位可以分别当做2个8位寄存器使用 前缀变成 AH、AL、BH、BL...

指针和索引寄存器

32位：ESI、EDI、EBP、ESP

• ESI（扩展源索引）：通常用于源数据传输。
• EDI（扩展目的索引）：通常用于目标数据传输。
• ESP（扩展堆栈指针）：指向栈顶。
• EBP（扩展基址指针）：通常用于指向栈底或存储堆栈帧指针。

段寄存器

CS，DS，SS，ES 括号中为396特有

• CS（代码段寄存器）：存储当前代码段的地址。
• DS（数据段寄存器）：存储当前数据段的地址。
• SS（堆栈段寄存器）：存储当前堆栈段的地址。
• ES（附加段寄存器）：通常用于存储额外数据段的地址。

控制寄存器

CR0、CR1、CR2、CR3

• CR0（控制寄存器0）：包含控制处理器操作的标志位和系统控制位。
• CR1-CR4（控制寄存器1-4）：保留给未来使用

系统地址寄存器

GDTR 48位全局描述符表寄存器

IDTR 48位中断描述符表寄存器

LDTR 16位局部描述符表寄存器

TR 16位任务状态段寄存器

参考书籍：

英特尔IA32架构软件开发手册 第一卷