作業系統筆記之基礎
阿新 • • 發佈：2019-02-03
1.進入作業系統
神祕的開機背景後面到底發生了什麼？
開啟電源，計算機就開始工作了，那計算機怎麼工作？
馮。諾依曼儲存程式思想：把程式和資料存放在計算機儲存器中，計算機在程式的控制下一步一步執行。
設定一個程式指標PC指向指令，由PC指標從儲存器中取出指令，交給運算器和控制器，程式指標PC自動指向下一個指令。
那麼問題：開啟電源以後，計算機執行的第一條指令是什麼？
x86pc，計算機剛開啟時pc = ？
x86pc剛開機時CPU處於真實模式（定址CS：IP PC=CS左移4位+IP）
記憶體中固化了一段程式，這就是ROM BIOS(Basic Input Output System),程式固化在地址0XFFF0.開機時，CS=0XFFFF, IP=0X0000, 於是開機後PC讀到的第一條指令地址是0XFFF0,這就是BIOS的第一條指令。然後檢查RAM，鍵盤，主機板，顯示器，磁碟等硬體，然後從將磁碟0磁軌0扇區的內容讀入0X7C00處，這個0磁軌0扇區儲存的是作業系統的引導扇區，然後再設定CS=0x07c0, ip=OX0000這樣PC就變成0X07C0，接著就開始執行作業系統的引導扇區，從這裡開始就進入作業系統了，前面都還是在硬體中。
引導扇區讀入的那512個位元組程式碼（地址0X7C00處）
引導扇區是啟動裝置的第一個扇區，啟動裝置資訊被設定在CMOS中，硬碟的第一個扇區存放著開機後第一段我們能控制的程式
作業系統由此開始。
linux0.11引導扇區程式碼bootsect.s
bootsect.s最後會被彙編成機器指令，放在引導扇區。
SETUPLEN = 4 ! nr of setup-sectors BOOTSEG = 0x07c0 ! original address of boot-sector INITSEG = 0x9000 ! we move boot here - out of the way SETUPSEG = 0x9020 ! setup starts here SYSSEG = 0x1000 ! system loaded at 0x10000 (65536). ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE ! where to stop loading ! ROOT_DEV: 0x000 - same type of floppy as boot. ! 0x301 - first partition on first drive etc ROOT_DEV = 0x306 entry _start _start: mov ax,#BOOTSEG mov ds,ax //ds = 0x07c00 mov ax,#INITSEG mov es,ax //es = 0x9000 mov cx,#256 sub si,si // si = 0 sub di,di // di = 0 ds : si 為 0x07c0 : 0x0000, es : di 為 0x9000 : 0x0000 rep movw **// 重複移動，將0x07c0:0x0000處的256個字移動到0x9000:0x0000 目的是騰出空間，後面在setup.s中會有用，避免在將system模組移動到0地址是覆蓋bootsect.s** go: mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax! !put stack at 0x9ff00. mov ss,ax mov sp,#0xFF00 ! arbitrary value >>512 ! load the setup-sectors directly after the bootblock. ! Note that 'es' is already set up. load_setup: mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0 mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0 **//bootsect.s佔據第一個扇區，因此要從第二扇區讀** mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEG **/ /es : bx 0x9000 : 0x0200 ** mov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectors **// setup扇區數量** int 0x13 ! read it **//0x13是BIOS讀磁碟扇區的中斷** jnc ok_load_setup ! ok - continue mov dx,#0x0000 mov ax,#0x0000 ! reset the diskette int 0x13 j load_setup ok_load_setup: ! Get disk drive parameters, specifically nr of sectors/track mov dl,#0x00 mov ax,#0x0800 ! AH=8 is get drive parameters int 0x13 mov ch,#0x00 seg cs mov sectors,cx mov ax,#INITSEG mov es,ax ! Print some inane message mov ah,#0x03 ! read cursor pos **//讀游標位置** xor bh,bh int 0x10 **//顯示字元的BIOS中斷** mov cx,#24 **//輸出的字元數** mov bx,#0x0007 ! page 0, attribute 7 (normal)**//7是顯示屬性** mov bp,#msg1 **//bp要顯示的字元在記憶體中的位置，msgl內容在程式碼末** mov ax,#0x1301 ! write string, move cursor int 0x10 **//顯示字元的BIOS中斷** ! ok, we've written the message, now ! we want to load the system (at 0x10000) mov ax,#SYSSEG mov es,ax ! segment of 0x010000 call read_it **//讀入system模組** call kill_motor ! After that we check which root-device to use. If the device is ! defined (!= 0), nothing is done and the given device is used. ! Otherwise, either /dev/PS0 (2,28) or /dev/at0 (2,8), depending ! on the number of sectors that the BIOS reports currently. seg cs mov ax,root_dev cmp ax,#0 jne root_defined seg cs mov bx,sectors mov ax,#0x0208 ! /dev/ps0 - 1.2Mb cmp bx,#15 je root_defined mov ax,#0x021c ! /dev/PS0 - 1.44Mb cmp bx,#18 je root_defined undef_root: jmp undef_root root_defined: seg cs mov root_dev,ax ! after that (everyting loaded), we jump to ! the setup-routine loaded directly after ! the bootblock: jmpi 0,SETUPSEG ! This routine loads the system at address 0x10000, making sure ! no 64kB boundaries are crossed. We try to load it as fast as ! possible, loading whole tracks whenever we can. ! ! in: es - starting address segment (normally 0x1000) ! sread: .word 1+SETUPLEN ! sectors read of current track head: .word 0 ! current head track: .word 0 ! current track read_it: mov ax,es test ax,#0x0fff die: jne die ! es must be at 64kB boundary xor bx,bx ! bx is starting address within segment rp_read: mov ax,es cmp ax,#ENDSEG ! have we loaded all yet? jb ok1_read //ENDSEG=SYSSEG+SYSSIZE ret **//system模組可能很大，要跨越磁軌 ....** msg1: .byte 13,10 .ascii "Loading system ..." .byte 13,10,13,10 .org 508 root_dev: .word ROOT_DEV boot_flag: .word 0xAA55 **//扇區的最後兩個位元組 BIOS用以識別引導扇區**
2.作業系統啟動
setup模組
start: ! ok, the read went well so we get current cursor position and save it for ! posterity. mov ax,#INITSEG ! this is done in bootsect already, but... mov ds,ax mov ah,#0x03 ! read cursor pos xor bh,bh int 0x10 ! save it in known place, con_init fetches mov [0],dx ! it from 0x90000. mov ah,#0x88 int 0x15 **//BIOS中斷，獲得實體記憶體大小** mov [2],ax //擴充套件記憶體大小 ! now we want to move to protected mode ... cli ! no interrupts allowed ! ! first we move the system to it's rightful place mov ax,#0x0000 cld ! 'direction'=0, movs moves forward do_move: mov es,ax ! destination segment add ax,#0x1000 cmp ax,#0x9000 jz end_move mov ds,ax ! source segment sub di,di sub si,si mov cx,#0x8000 // 要移動的長度 rep movsw jmp do_move **//es=0x0000, ds= 0x9000. 把0X9000開始的內容移動到0地址,那麼從0地址開始就是作業系統的內容.這樣從0地址開始是作業系統的內容**
進入保護模式
end_move:
mov ax,#SETUPSEG ! right, forgot this at first. didn't work :-)
mov ds,ax
lidt idt_48 ! load idt with 0,0
lgdt gdt_48 ! load gdt with whatever appropriate **//設定保護模式下的中斷和定址**
! Well, now's the time to actually move into protected mode. To make
! things as simple as possible, we do no register set-up or anything,
! we let the gnu-compiled 32-bit programs do that. We just jump to
! absolute address 0x00000, in 32-bit protected mode.
mov ax,#0x0001 ! protected mode (PE) bit
lmsw ax ! This is it!
jmpi 0,8 ! jmp offset 0 of segment 8 (cs)
**//jmpi 0,8很重要。在這裡定址方式發生了改變，由於之前的定址模式（cs左移4位+ip的方式，cs 和ip都是16位暫存器，最大定址空間20位，即1M）定址空間太少。接下來要切換到32位模式（保護模式）。 這個時候定址模式是查表**
gdt:
.word 0,0,0,0 ! dummy
.word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ! base address=0
.word 0x9A00 ! code read/exec
.word 0x00C0 ! granularity=4096, 386
.word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ! base address=0
.word 0x9200 ! data read/write
.word 0x00C0 ! granularity=4096, 386
關於jmpi 0, 8:
gdt表中0x00c09A00000007FFF, 表示 地址將跳轉到0地址，0地址是system模組的地址開始處，到此setup模組的工作完成。
setup模組先後完成了讀取硬體引數，把system移動到0地址處，設定為保護模式，最後再把程式指標移動到0地址（這時已是system）處。
跳到system模組執行
system中的第一部分程式碼head.s
startup_32:
movl $0x10,%eax
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov %ax,%fs
mov %ax,%gs //指向gdt的0x10項（資料段）
lss stack_start,%esp //設定系統棧
call setup_idt //初始化idt表
call setup_gdt //初始化gdt表
movl $0x10,%eax # reload all the segment registers
mov %ax,%ds # after changing gdt. CS was already
mov %ax,%es # reloaded in 'setup_gdt'
mov %ax,%fs
mov %ax,%gs
lss stack_start,%esp
xorl %eax,%eax
1:
incl %eax # check that A20 really IS enabled
movl %eax,0x000000 # loop forever if it isn't
cmpl %eax,0x100000
je 1b
movl %cr0,%eax # check math chip
andl $0x80000011,%eax # Save PG,PE,ET
orl $2,%eax # set MP
movl %eax,%cr0
call check_x87
jmp after_page_tables
設定了頁表之後after_page_tables
after_page_tables:
pushl $0 # These are the parameters to main :-)
pushl $0
pushl $0
pushl $L6 # return address for main, if it decides to.
pushl $main
jmp setup_paging //設定頁表 結束後跳轉到main
L6: jmp L6 # main should never return here, but
# just in case, we know what happens.
接下來跳轉到main中，這就進入作業系統了。
3.作業系統介面
上層軟體如何與核心交流
4.系統呼叫是如何實現的
不可以直接訪問核心的程式碼：核心中有許多重要的資料，比如root使用者的相關資料等，故不能隨意訪問。
如何實現不能隨意訪問核心程式碼？：這需要硬體來實現，比如有一種處理器的硬體設計
把記憶體分為不同的區域， 通過段暫存器來區分程式屬於哪個段（核心段 or 使用者段）
DPL: destination privilege level 要訪問的目標區域的特權級
CPL: current privilege level 當前特權級
每次訪問時，都要檢查特權級。0是核心態，3是使用者態。只有DPL >= CPL時才能夠執行。
核心中的程式碼的特權級會被初始化為0，而使用者的程式碼的特權級是3
那通過怎樣的機制才能訪問核心程式碼？
仍然是硬體來實現，對於x86那就是中斷指令int。設計的某些中斷能進入核心。
int指令將使CS中的CPL改成0，那麼此時就能進入核心。
規定int 0x80為系統呼叫中斷。
總結一下：
應用程式如何呼叫系統呼叫：
