HuSharp's little os
参考《操作系统真象还原》 豆瓣链接 https://book.douban.com/subject/26745156/
##代码结构
FILE: boot/mbr.asm
| 加载loader，并跳转
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FILE: boot/loader.asm
| 调用BIOS中断获取内存大小；构建GDT，进入保护模式；加载kernel；创建页目录PD和页表PT，开启分页机制；
| 解析kernel的ELF，将ELF文件中的段segment拷贝到各段自己被编译的虚拟地址处；跳转
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FILE: kernel/main.c
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|---- FILE: lib/print.S put_str("i am kernel\n");
| | 打印提示信息
| | 汇编实现打印函数(写入显存0xb_8000，loader阶段设为GDT第3号)，C语言调用
| |---- FILE: kernel/print.S put_char()
| | | 把栈中的1个字符写入光标所在处
| | | 利用视频段选择子 SELECTOR_VIDEO equ (0x0003<<3) + TI_GDT + RPL0
| | | 实质上，打印字符就是把字符写到显存的某个位置
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|---- FILE: kernel/init.c init_all()
| | 初始化
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| |---- FILE: kernel/interrupt.c idt_init()
| | | 初始化中断
| | | 构建IDT，这里IDT中的每一项都指向对应的一段汇编代码，再由汇编调用C语言中断处理函数
| | | 初始化可编程中断控制器8259A，放开时钟中断0x20
| | | 中断发生时，会根据IDTR中的IDT基地址+中断向量*8，跳转到对应的汇编代码
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| | |---- FILE: kernel/core_interrupt.asm
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| | |---- FILE: lib/io.h
| | | 内联汇编实现的读写端口函数
| | | 凡是包含io.h的文件，都会获得一份io.h中所有函数的拷贝
| | | inline是建议处理器将函数编译为内嵌方式，即在该函数调用处原封不动地展开
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| |---- FILE: kernel/memory.c mem_init()
| | | 初始化内存管理系统
| | | mem_pool_init()初始化内存池: 内核虚拟地址内存池、内核/用户物理内存池
| | | 虚拟地址内存池: 虚拟地址bitmap、虚拟地址内存池起始地址
| | | 物理内存池：物理内存bitmap、物理内存起始地址、物理内存池大小
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| | |---- FILE: lib/bitmap.c bitmap_init() bitmap_scan() bitmap_set()
| | | | bitmap的基本操作
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| | | |---- FILE: lib/string.c memset()
| | | | 内存/字符串的基本操作
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| | |---- FILE: kernel/debug.h ASSERT() PANIC()
| | | 断言
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| | |---- FILE: kernel/debug.c panic_spin(__FILE__, __LINE__, __func__, __VA_ARGS__)
| | | 关中断，打印相关信息，while(1)使程序悬停
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| | |---- FILE: kernel/interrupt.c intr_disable();
| | | 关中断
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| |---- FILE: thread/thread.c thread_init()
| | | 初始化线程相关结构
| | | list_init()初始化就绪队列、初始化全部队列
| | | make_main_thread()将当前内核main函数创建为线程
| | | running_thread()通过esp得到PCB基地址(main线程的PCB在loader阶段已分配)
| | | init_thread()在PCB中初始化线程基本信息: 状态 优先级 嘀嗒时间数 ...
| | | list_append()加入全部队列
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| | |---- FILE: list/list.c
| | | 结点: struct list_elem{struct list_elem *prev; struct list_elem *next; };
| | | 链表: struct list{struct list_elem head; struct list_elem tail; };
| | | 对链表的一些修改操作需关中断来确保原子操作
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| |---- FILE: device/timer.c timer_init()
| | | frequency_set()初始化可编程定时计时器8253
| | | 使用8253来给IRQ0引脚上的时钟中断信号“提速”，使其发出的中断信号频率快一些。
| | | 默认的频率是18.206Hz，即一秒内大约发出18 次中断信号。
| | | 通过对8253编程，使时钟一秒内发100次中断信号，即中断信号频率为100Hz.
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| | |---- FILE: kernel/interrupt.c register_handler(0x20, intr_timer_handler)
| | | | 注册安装中断处理程序 idt_table[vector_id] = function
| | | | 时钟的中断向量号0x20
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| | |---- FILE: device/timer.c intr_timer_handler()
| | | 时钟的中断处理程序
| | | running_thread()通过esp得到PCB基地址
| | | if(current_thread->ticks == 0)
| | | schedule(); // 若进程时间片用完，就开始调度新的进程上CPU
| | | else
| | | current_thread->ticks--; // 将当前进程的时间片-1
| | |
| | |---- FILE: thread/thread.c schedule()
| | | 任务调度 (由时钟中断触发)
| | | *** 调度 ****************
| | | 若状态为RUNNING, 则添加到就绪队列尾并重置ticks、状态改为READY
| | | 就绪队列第一个就绪线程弹出, 由结构体成员地址得到首地址, 这里即为PCB基地址
| | | 修改状态为RUNNING
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| | |---- FILE: thread/switch.asm switch_to(current_thread, next);
| | | 切换栈、切换执行流eip
| | | *********************************************
| | | 此处的理解需结合线程栈信息struct thread_stack和函数thread_create()
| | | *********************************************
| | | 保存current线程的寄存器, 将next线程的寄存器装载到处理器
| | | 传入的2个参数自动压入了current栈中, 这2个参数为2线程PCB基地址
| | | PCB底部为线程/进程信息struct task_struct, 第一个成员为栈顶地址
| | | 切换栈: 伪代码 mov [current], esp; mov esp, [next];
| | | 切换执行线程: ret。这里利用了ret的特性, 自动从栈弹出给eip
| | | 栈中存放eip处, 已由函数thread_create赋值为kernel_thread()
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| | |---- FILE: thread/thread.c kernel_thread(function, func_arg)
| | | 执行创建线程时指定的函数
| | | 这里2个参数的值已由函数thread_create赋值在栈中
| | | intr_enable()开中断, 避免时钟中断被屏蔽而无法调度其它线程
| | | function(func_arg)执行新线程，
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| |---- FILE: device/console.c console_init()
| | | 初始化控制台
| | | 结合lock锁机制，对print族函数加了层封装，如void console_put_str()
| | | { console_acquire(); put_str(str); console_release(); }
| | | static struct lock console_lock; // 声明控制台锁
| | |
| | |---- FILE: thread/sync.c lock_init(&console_lock)
| | | | 初始化锁
| | | | 基于二元信号量实现的锁
| | | | struct semaphore{
| | | | unsigned char value; struct list waiters; };
| | | | 信号量初值, 此信号量上阻塞的所有线程
| | | | struct lock{
| | | | struct task_struct *holder; struct semaphore sema; unsigned int holder_repeat_num; };
| | | | 锁的持有者, 信号量, 锁的持有者重复申请锁的次数
| | |
| | |---- FILE: thread/sync.c lock_acquire()
| | | | 获取锁
| | | | sema_down(&lock->semaphore)信号量P操作
| | | | while(sema->value == 0) // value为0表明已经被别人持有
| | | | list_append()当前线程把自己加入该锁的等待队列
| | | | thread_block()当前线程阻塞自己，并触发调度，切换线程
| | | | ************************************* 调度 *********
| | | | lock->holder = running_thread()
| | | |
| | | |---- FILE: thread/thread.c thread_block()
| | | | 当前线程将自己阻塞
| | | | 修改线程状态为阻塞、触发调度, 切换线程执行
| | | |
| | | |---- FILE: thread/thread.c schedule()
| | | | 任务调度 (由当前阻塞线程主动触发)
| | |
| | |---- FILE: thread/sync.c lock_release()
| | | 释放锁
| | | lock->holder = NULL
| | | sema_up(&lock->semaphore)信号量V操作
| | | list_pop(&sema->waiters)从等待队列中取出一个线程
| | | thread_unblock()唤醒该阻塞线程: 将阻塞线程加入就绪队列，并修改状态为READY
| | | sema->value++
| | |
| | |---- FILE: thread/thread.c thread_unblock()
| | | 唤醒阻塞线程
| | | 将阻塞线程加入就绪队列，并修改状态为READY
| |
| |---- FILE: device/keyboard.c keyboard_init()
| | 初始化键盘
| | 初始化键盘的环形缓冲区 ioqueue_init(&keyboard_buf)
| | 注册安装中断处理程序 register_handler(0x21, intr_keyboard_handler)
| | 键盘的中断向量号0x21
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| |---- FILE: device/ioqueue.c ioqueue_init()
| | | 初始化环形缓冲区
| | | 结合锁机制、生产者消费者模型
| | | struct ioqueue{
| | | struct lock lock; // 锁
| | | struct task_struct *producer, *consumer; // 睡眠的生产者/消费者
| | | char buf[buffersize]; // 缓冲区
| | | signed int head, tail; }; // 队首写入, 队尾读出
| |
| |---- FILE: device/ioqueue.c ioq_getchar()
| | | 消费者消费一个字符
| | | while(ioq_empty(ioq)) // 缓冲区为空时, 消费者睡眠
| | | lock_acquire(&ioq->lock); // 获取锁, 每个锁对应的信号量都会有一个阻塞队列
| | | ioq_wait(&ioq->consumer); // 消费者睡眠
| | | lock_release(&ioq->lock); // 释放锁
| | | char byte = ioq->buf[ioq->tail]; // 消费一个字符
| | | if(ioq->producer !=NULL) wakeup(&ioq->producer); // 唤醒生产者(生产者睡眠是因为缓冲区满)
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| |---- FILE: device/ioqueue.c ioq_putchar()
| | | 生产者生产一个字符
| | | while(ioq_full(ioq)) // 缓冲区满时, 生产者睡眠
| | | lock_acquire(&ioq->lock); // 获取锁, 每个锁对应的信号量都会有一个阻塞队列
| | | ioq_wait(&ioq->producer); // 生产者睡眠
| | | lock_release(&ioq->lock); // 释放锁
| | | ioq->buf[ioq->head] = byte; // 生产一个字符
| | | if(ioq->consumer !=NULL) wakeup(&ioq->consumer); // 唤醒消费者(消费者睡眠是因为缓冲区空)
| |
| |---- FILE: device/keyboard.c intr_keyboard_handler
| | 键盘的中断处理程序
| | 键盘上8048芯片 -> 主板上8042芯片 -> 中断代理8259A
| | 从输出缓冲区寄存器端口0x60读取扫描码
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|---- FILE: thread/thread.c thread_start()
| | 创建一个线程并执行
| | get_kernel_pages(1)内核空间中申请一页内存作为线程PCB(线程栈也在其中)
| | PCB底部为线程/进程信息struct task_struct, PCB顶部为栈空间
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| | init_thread()在PCB底部 初始化线程基本信息: 状态 优先级 嘀嗒时间数 ...
| | thread_create()初始化线程栈: 中断使用的栈信息struct intr_stack, 线程栈信息struct thread_stack, 线程栈
| | 线程栈信息struct thread_stack: 栈顶为寄存器和eip(指向kernel_thread函数)和返回地址
| | 跳过返回地址栈顶+4为参数function、栈顶+8为参数func_arg
| | list_append()加入就绪队列、全部队列
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| |---- FILE: kernel/memory.c get_kernel_pages();
| | 申请内核空间中的内存
| | 1) 虚拟内存池中申请连续的虚拟页 vaddr_get()
| | 2) 依次为每一个虚拟页在物理内存池中申请物理页 palloc()
| | 3) 在页表中完成虚拟地址和物理地址的映射 page_table_add()
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|---- FILE: kernel/main.c test_thread_1()
| | 线程1
| | (测试)作为键盘缓冲区的消费者
| | if(!ioq_empty(&keyboard_buf)) // 键盘缓冲区不为空时
| | char byte = ioq_getchar(&keyboard_buf); // 从键盘缓冲区消费一个字符
| | console_put_char(byte); // 在控制台输出该字符
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|---- while(1)更详细的 OS 相关技术分析位于各个章节的 README.md 中
