概述
《只是为了好玩》书中，林纳斯描述过他最早的试验性程序就是执行两个不同的任务（一个不断输出A，另一个输出B），同时不断地让 CPU 在两个任务间做切换。结合《Linux 内核完全注释》提供的一个多任务切换示例程序，本篇将就多任务切换程序的执行流程进行详述，并提供当下汇编工具下的适配。
关于运行环境的说明，欢迎参考 Bochs 仿真器使用简介
引导程序
理解 Linux Kernel (1) 中已经描述过 BIOS 加载/执行引导程序的全流程。操作系统的概念对于处理器、内存等底层硬件来说，并不是必须的。处理器永远只是忠实地执行指令指针(IP, instruction pointer)指向的机器指令。那么，机器上电之后，第一个 IP 是如何提供给处理器的呢？由硬件来直接完成初始化的工作（至于细节，没实际操作过，不表）。
在机器上电启动之后，存储在非易失性存储器/只读存储器上的 BIOS 程序将被加载到内存，并执行(至于细节，不甚了解，不表)。随后，BIOS 从指定磁盘（软盘、硬盘等）读取首个扇区 512 字节的内容（称为 boot 引导程序），载入到预定的内存地址（0x7c000 开始的内存块）。同时处理器 JMP 到 CS:IP = 0x07c00:0x0000 的位置。从而触发引导程序。
随后处理器将忠实地执行 boot 引导程序描述的指令。至于引导程序的实现是让处理器执行一个操作系统程序，还是执行一个用户程序。这完全取决于编写引导程序的人，而对处理器来说，完全没有差别。
BIOS -> boot 引导程序 -> 操作系统引导程序 -> 操作系统
这就构成了一个宏观的操作系统启动的一个流程。
boot.s 引导程序 主体代码来自《Linux 内核完全注释》，进行了一定量的改写
BOOTSEG = 0x07c0
SYSSEG = 0x0100
SYSLEN = 17
entry start
start:
jmpi go,#BOOTSEG
go:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov ss,ax
mov sp,#0x0400
load_system:
xor dx,dx ! 开始位置, 磁头:硬盘号
mov cx,#0x0002 ! 开始位置, 磁道:扇区
mov ax,#0x0100
mov es,ax ! 载入到, ES 段
xor bx,bx ! 载入到, 偏移量
mov ax,#0x0211 ! AH: 读取扇区子功能, AL: 读取多少个扇区
int 0x13 ! BIOS 13 号中断
jnc continue_load ! JUMP if CF = 0
die:
jmp die
continue_load:
cli ! 清除中断允许位标志
mov ax,#SYSSEG
mov ds,ax ! 设置数据段寄存器位置 0x1000
xor ax,ax
mov es,ax ! 设置扩展段寄存器 0x0000
mov cx,#0x1000 ! 计数器
sub si,si
sub di,di
rep
movsw
mov ax,#BOOTSEG
mov ds,ax ! 重新设置数据段寄存器到当前数据段基地址
lidt idt_48 ! 设置中断描述符表寄存器
lgdt gdt_48 ! 设置全局描述符表寄存器
mov ax,#0x0001
lmsw ax ! 设置 CR0, 进入保护模式
jmpi 0,8
gdt:
.word 0,0,0,0
.word 0x07FF,0x0000,0x9A00,0x00C0
.word 0x07FF,0x0000,0x9200,0x00C0
idt_48:
.word 0,0,0
gdt_48:
.word 0x07FF,0x7C00+gdt,0
.org 510
.word 0xAA55
这段汇编程序，通过 load_system 标识符标识的这段程序表明需要加载0号磁盘,0号磁头,0号磁道,从第2扇区开始,连续17个扇区的内容(这里将存储支持任务切换的程序)，加载到内存以 0x1000 开始的物理地址处。
continue_load 标识将 0x1000 物理地址开始的 4096 字 (即 8192 字节) 的内容依次复制到以 0x0000 开始的物理地址处。
其后，设置 IDT (中断描述符表)、IDTR(中断描述符表寄存器) 及 GDT(全局描述符表)、GDTR(全局描述符表寄存器)，将 CPU 运行模式改成 保护模式 ，继而将控制权转交给这个被加载进来的程序。
多任务程序
主体内容来自《Linux 内核完全注释》，经过一定量改变以适应当前运行环境
# head.s
.code32
LATCH = 11930
SCRN_SEL = 0x18
TSS0_SEL = 0x20
LDT0_SEL = 0x28
TSS1_SEL = 0x30
LDT1_SEL = 0x38
.text
.globl startup_32
startup_32:
movl $0x00000010,%eax # 段选择符 2
mov %ax,%ds
lss init_stack,%esp # Load Far Pointer 加载到 SS:ESP
call setup_idt # 设置中断描述符表
call setup_gdt # 设置全局描述符表
movl $0x00000010,%eax
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov %ax,%fs
mov %ax,%gs
lss init_stack,%esp # Load Far Pointer 加载到 SS:ESP
# 设置 8253 定时芯片 10s 一个中断
movb $0x36,%al
movl $0x00000043,%edx
outb %al,%dx
movl $LATCH,%eax
movl $0x40,%edx
outb %al,%dx
movb %ah,%al
outb %al,%dx
movl $0x00080000,%eax # 重新设置 int 0x08 时钟中断
movw $timer_interrupt,%ax
movw $0x8E00,%dx
movl $0x08,%ecx
lea idt(,%ecx,8),%esi
movl %eax,(%esi)
movl %edx,4(%esi)
movw $system_interrupt,%ax # 重新设置 int 0x80 系统中断
movw $0xef00,%dx
movl $0x80,%ecx
lea idt(,%ecx,8),%esi
movl %eax,(%esi)
movl %edx,4(%esi)
pushfl # 重置 EFLAGS 嵌套任务标志位
andl $0xffffbfff,(%esp)
popfl
movl $TSS0_SEL,%eax
ltr %ax # Load Task Register
movl $LDT0_SEL,%eax
lldt %ax # Load Local Descriptor Register
movl $0,current
sti # set interrupt flag
pushl $0x17
pushl $init_stack
pushfl
pushl $0x0f
pushl $task0
iret
setup_gdt:
lgdt lgdt_opcode
ret
setup_idt:
lea ignore_int,%edx # 预先把中断处理程序的偏移地址 ignore_int 存到 EDX
movl $0x00080000,%eax # 预存 0x0008 - 段选择符
movw %dx,%ax # 补上 0-15 位偏移地址
movw $0x8E00,%dx # DX 补上标志位
lea idt,%edi
mov $256,%ecx
rp_idt: movl %eax,(%edi) # 循环 256 遍处理 IDT
movl %edx,4(%edi)
addl $8,%edi
dec %ecx
jne rp_idt
lidt lidt_opcode
ret
write_char:
push %gs
pushl %ebx
mov $SCRN_SEL,%ebx
mov %bx,%gs
movl scr_loc,%ebx
shl $1,%ebx
movb %al,%gs:(%ebx)
shr $1,%ebx
incl %ebx
cmpl $2000,%ebx
jb 1f
movl $0,%ebx
1: movl %ebx,scr_loc
popl %ebx
pop %gs
ret
.align 4
ignore_int: # 默认的中断处理程序
push %ds
pushl %eax
movl $0x10,%eax
mov %ax,%ds
movl $67,%eax
call write_char
popl %eax
pop %ds
iret
.align 4
timer_interrupt: # 定时中断处理程序
push %ds
pushl %eax
movl $0x10,%eax
mov %ax,%ds
movb $0x20,%al
outb %al,$0x20
movl $1,%eax
cmpl %eax,current
je 1f
movl %eax,current
jmp $TSS1_SEL, $0
jmp 2f
1: movl $0,current
jmp $TSS0_SEL, $0
2: popl %eax
pop %ds
iret
.align 4
system_interrupt: # 系统调用中断处理程序
push %ds
pushl %edx
pushl %ecx
pushl %ebx
pushl %eax
movl $0x10,%edx
mov %dx,%ds
call write_char
popl %eax
popl %ebx
popl %ecx
popl %edx
pop %ds
iret
current:.long 0
scr_loc:.long 0
.align 4
lidt_opcode:
.word 256*8-1
.long idt
lgdt_opcode:
.word (end_gdt-gdt)-1
.long gdt
.align 8
idt: .fill 256,8,0
gdt: .quad 0x0000000000000000
.quad 0x00c09a00000007ff
.quad 0x00c09200000007ff
.quad 0x00c0920b80000002
.word 0x68,tss0,0xe900,0x0
.word 0x40,ldt0,0xe200,0x0
.word 0x68,tss1,0xe900,0x0
.word 0x40,ldt1,0xe200,0x0
end_gdt:
.fill 128,4,0
init_stack:
.long init_stack
.word 0x0010
.align 8
ldt0: .quad 0x0000000000000000
.quad 0x00c0fa00000003ff
.quad 0x00c0f200000003ff
tss0: .long 0
.long krn_stk0, 0x10
.long 0,0,0,0,0
.long 0,0,0,0,0
.long 0,0,0,0,0
.long 0,0,0,0,0,0
.long LDT0_SEL,0x8000000
.fill 128,4,0
krn_stk0:
.align 8
ldt1: .quad 0x0000000000000000
.quad 0x00c0fa00000003ff
.quad 0x00c0f200000003ff
tss1: .long 0
.long krn_stk1,0x10
.long 0,0,0,0,0
.long task1,0x200
.long 0,0,0,0
.long usr_stk1,0,0,0
.long 0x17,0x0f,0x17,0x17,0x17,0x17
.long LDT1_SEL,0x8000000
.fill 128,4,0
krn_stk1:
task0:
movl $0x17,%eax
movw %ax,%ds
mov $65,%al
int $0x80
movl $0xfff,%ecx
1: loop 1b
jmp task0
task1:
mov $66,%al
int $0x80
movl $0xfff,%ecx
1: loop 1b
jmp task1
.fill 128,4,0
usr_stk1:
上面的这个程序内容不再详述，想了解细节请参考 《Linux 内核完全注释》
下面提供编译 boot.s 以及 head.s 的可用 Makefile
首先描述一下额外的工具版本
- GNU as : GNU assembler version 2.26.1
- GNU ld : GNU ld 2.26.1 其它内容详见 理解 Linux Kernel (0)
# Makefile for the simple example kernel.
AS86 =as86 -0 -a
LD86 =ld86 -0
AS =as
ASFLAGS =-32
LD =ld
LDFLAGS =-s -x -M -m elf_i386 -e startup_32 -Ttext 0x0
all: Image
Image: boot system
dd bs=32 if=boot of=Image skip=1
dd bs=512 if=system of=Image skip=8 seek=1
sync
disk: Image
dd bs=8192 if=Image of=/dev/fd0
sync;sync;sync
head.o:
$(AS) $(ASFLAGS) -o head.o head.s
system: head.o
$(LD) $(LDFLAGS) head.o -o system > System.map
boot: boot.s
$(AS86) -o boot.o boot.s
$(LD86) -s -o boot boot.o
clean:
rm -f Image System.map core boot *.o system
运行结果
想了解更多细节的请自行实操查看吧!
附件
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