《ORANGE-s-一个操作系统实现》内核雏形（3-2）

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跳入保护模式

首先是GDT以及对应的选择子，我们只定义三个描述符，分别是0~4GB的可执行段、0~4GB可读写段和一个指向显存开始地址的段。

因为段地址已经被确定为BaseOfLoader,所以Loader中出现的标号的物理地址可以用下面的公式表示：

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物理地址 = BaseOfLoader x 10h + 变量的偏移

然后运行后，如果看到字母“p”则代表我们进入了保护模式，如图所示：
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重新放置内核以及控制器的转让

下图是一个内存的使用分布图。
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虽然引导扇区将剩余的内存空间分割成了两块，但实际上引导扇区在完成了它的使命之后就没有用了，可以视为空闲内存。
运行之后，可以看到K字母，即代表成功由内核在控制了。
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扩充内核

切换堆栈和GDT

代码如下：

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SELECTOR_KERNEL_CS	equ	8

; 导入函数
extern	cstart

; 导入全局变量
extern	gdt_ptr

[SECTION .bss]
StackSpace		resb	2 * 1024
StackTop:		; 栈顶

[section .text]	; 代码在此

global _start	; 导出 _start

_start:
mov	esp, StackTop	; 堆栈在 bss 段中

	sgdt	[gdt_ptr]	; cstart() 中将会用到 gdt_ptr
	call	cstart		; 在此函数中改变了gdt_ptr，让它指向新的GDT
	lgdt	[gdt_ptr]	; 使用新的GDT

	;lidt	[idt_ptr]

	jmp	SELECTOR_KERNEL_CS:csinit
csinit:		; “这个跳转指令强制使用刚刚初始化的结构”——<<OS:D&I 2nd>> P90.

	push	0
	popfd	; Pop top of stack into EFLAGS

	hlt

从上可知，用简单的4个语句就完成了切换堆栈和更换GDT的任务。其中，StackTop定义在.bass段中，堆栈大小为2KB。操做GDT时用到的gdt_ptr和cstart分别是一个全局变量和全局函数，他们定义在start.c中，如下：

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include "type.h"
#include "const.h"
#include "protect.h"

PUBLIC	void*	memcpy(void* pDst, void* pSrc, int iSize);

PUBLIC	void	disp_str(char * pszInfo);

PUBLIC	u8		gdt_ptr[6];	/* 0~15:Limit  16~47:Base */
PUBLIC	DESCRIPTOR	gdt[GDT_SIZE];

PUBLIC void cstart()
{

	disp_str("\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n"
		 "-----\"cstart\" begins-----\n");

	/* 将 LOADER 中的 GDT 复制到新的 GDT 中 */
	memcpy(&gdt,				   /* New GDT */
	       (void*)(*((u32*)(&gdt_ptr[2]))),    /* Base  of Old GDT */
	       *((u16*)(&gdt_ptr[0])) + 1	   /* Limit of Old GDT */
		);
	/* gdt_ptr[6] 共 6 个字节：0~15:Limit  16~47:Base。用作 sgdt/lgdt 的参数。*/
	u16* p_gdt_limit = (u16*)(&gdt_ptr[0]);
	u32* p_gdt_base  = (u32*)(&gdt_ptr[2]);
	*p_gdt_limit = GDT_SIZE * sizeof(DESCRIPTOR) - 1;
	*p_gdt_base  = (u32)&gdt;
}

cstart()首先把位于Loader中的原GDT全部复制给心得GDT，然后把gdt_ptr中的内容换成新的GDT的基地址和界限。复制GDT使用的是函数memcpy。
运行结果如下：
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整理文件

  • boot.asm和loader.asm放在单独的目录/boot中，相应的头文件也放在里面；
  • klib.asm和string.asm放在/lib中，作为库；
  • kernel.asm和start.c放在/kernel里面
    目录树如下：
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    Makefile

    当我们把文件放在不同的文件夹了以后，编译的命令会更加的复杂，所以，我们将使用Makefile，从而输入一行命令就可以完成整个编译过程，相关的文件放在/boot中，具体代码如下：
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    # Makefile for boot

    # Programs, flags, etc.
    ASM		= nasm
    ASMFLAGS	= -I include/

    # This Program
    TARGET		= boot.bin loader.bin

    # All Phony Targets
    .PHONY : everything clean all

    # Default starting position
    everything : $(TARGET)

    clean :
    	rm -f $(TARGET)

    all : clean everything

    boot.bin : boot.asm include/load.inc include/fat12hdr.inc
    	$(ASM) $(ASMFLAGS) -o $@ $<

    loader.bin : loader.asm include/load.inc include/fat12hdr.inc include/pm.inc
    	$(ASM) $(ASMFLAGS) -o $@ $<

以字符#开头的行是注释、=用来定义变量，ASM和ASMFLAGS就是两个变量，使用他们的时候要用$(ASM)和$(ASMFLAGS)。Makefile的最重要的语法如下：

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target: prerequisites
        command

上面这样的形式表示：

  1. 要想得到target，需要执行命令command.
  2. target依赖prerequisites，当prerequisites中至少有一个文件比target文件新时，command才被执行。
    比如这个Makefile的最后两行，翻译出来就是：
  3. 要想得到loader.bin，需要执行“$(ASM) $(ASMFLAGS) -o $@ $<”。
  4. loader.bin依赖一下文件：
  • loader.asm
  • include/load.inc
  • include/pm.inc
  • include/fat12hdr.inc
    当他们中至少有一个比loader.bin新的时候，command被执行。
    其中 $@代表target $<代表prerequisites的第一个名字。
    所以执行“make clean”，将会执行“rm -f $(TARGET)”也就是“rm -f boot.bin loader.bin”
    以下是执行make all和make的结果图：
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    接着对makefile扩展之后，我们可以通过make building 和make image很方便的把引导扇区、load.bin和kernel。bin写入虚拟软盘。如下所示：
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    然后再启动bochs，同时在start.c加上显示cstart end，来表示我们的make正常的进行了编译连接了，结果如图所示：
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    添加中断处理

    中断要做的工作为：设置8259A和建立IDT。先写函数设置8259A:
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    PUBLIC void init_8259A()
    {
    	/* Master 8259, ICW1. */
    	out_byte(INT_M_CTL,	0x11);

    	/* Slave  8259, ICW1. */
    	out_byte(INT_S_CTL,	0x11);

    	/* Master 8259, ICW2. 设置 '主8259' 的中断入口地址为 0x20. */
    	out_byte(INT_M_CTLMASK,	INT_VECTOR_IRQ0);

    	/* Slave  8259, ICW2. 设置 '从8259' 的中断入口地址为 0x28 */
    	out_byte(INT_S_CTLMASK,	INT_VECTOR_IRQ8);

    	/* Master 8259, ICW3. IR2 对应 '从8259'. */
    	out_byte(INT_M_CTLMASK,	0x4);

    	/* Slave  8259, ICW3. 对应 '主8259' 的 IR2. */
    	out_byte(INT_S_CTLMASK,	0x2);

    	/* Master 8259, ICW4. */
    	out_byte(INT_M_CTLMASK,	0x1);

    	/* Slave  8259, ICW4. */
    	out_byte(INT_S_CTLMASK,	0x1);

    	/* Master 8259, OCW1.  */
    	out_byte(INT_M_CTLMASK,	0xFF);

    	/* Slave  8259, OCW1.  */
    	out_byte(INT_S_CTLMASK,	0xFF);
    }

相应端口的宏如下：

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/* 8259A interrupt controller ports. */
#define INT_M_CTL     0x20 /* I/O port for interrupt controller       <Master> */
#define INT_M_CTLMASK 0x21 /* setting bits in this port disables ints <Master> */
#define INT_S_CTL     0xA0 /* I/O port for second interrupt controller<Slave>  */
#define INT_S_CTLMASK 0xA1 /* setting bits in this port disables ints <Slave>  */
......
/* 中断向量 */
#define	INT_VECTOR_IRQ0			0x20
#define	INT_VECTOR_IRQ8			0x28

这个函数只用到了一个函数，就是用来写端口的out_byte，该函数体位于kliba.asm。其中不仅有out_byte对端口进行写操作还有in_byte对端口进行读操作，由于端口操作可能需要时间，所以两个函数中加了点空操作表，以便有微笑的延迟。代码如下：

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; ========================================================================
;                  void out_byte(u16 port, u8 value);
; ========================================================================
out_byte:
	mov	edx, [esp + 4]		; port
	mov	al, [esp + 4 + 4]	; value
	out	dx, al
	nop	; 一点延迟
	nop
	ret

; ========================================================================
;                  u8 in_byte(u16 port);
; ========================================================================
in_byte:
	mov	edx, [esp + 4]		; port
	xor	eax, eax
	in	al, dx
	nop	; 一点延迟
	nop
	ret

这两个函数放在include/proto.h中，这是一个新建立的头文件，用来存放函数声明。
然后，还要修改Makefile，不但要添加新的目标kernel/i8259.o，而且由于头文件的变化，kernel/start.o的依赖关系也稍微有变化：

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OBJS		= kernel/kernel.o kernel/start.o kernel/i8259.o kernel/global.o kernel/protect.o lib/klib.o lib/kliba.o lib/string.o
DASMOUTPUT	= kernel.bin.asm
......
kernel/start.o: kernel/start.c include/type.h include/const.h include/protect.h \
		include/proto.h include/string.h
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

kernel/i8259.o : kernel/i8259.c include/type.h include/const.h include/protect.h \
			include/proto.h
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

我们使用gcc -M自动生成依赖关系如下图：
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下面初始化IDT，它和初始化GDT类似，所以初始化GDT的方法可以拿着用，先前的gdt[]等变量都在头文件global.h中了，这样增加了代码的美感和可读性。
GATE定义在protect.h中，如下：

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/* 门描述符 */
typedef struct s_gate
{
	u16	offset_low;	/* Offset Low */
	u16	selector;	/* Selector */
	u8	dcount;		/* 该字段只在调用门描述符中有效。如果在利用
				   调用门调用子程序时引起特权级的转换和堆栈
				   的改变，需要将外层堆栈中的参数复制到内层
				   堆栈。该双字计数字段就是用于说明这种情况
				   发生时，要复制的双字参数的数量。*/
	u8	attr;		/* P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) */
	u16	offset_high;	/* Offset High */
}GATE;

接着，在kernel.asm中添加两句，导入idt_ptr这个符号，并加载IDT。
我们对异常的处理总体是，如果有错误码，则直接把向量号压栈，然后执行一个函数exception_handler；如果没有错误码，则现在栈中压入一个0xfffffff,再把向量号压栈并随后执行exception_handler。
下面是该函数：

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PUBLIC void exception_handler(int vec_no,int err_code,int eip,int cs,int eflags)
{
	int i;
	int text_color = 0x74; /* 灰底红字 */

	char * err_msg[] = {"#DE Divide Error",
			    "#DB RESERVED",
			    "--  NMI Interrupt",
			    "#BP Breakpoint",
			    "#OF Overflow",
			    "#BR BOUND Range Exceeded",
			    "#UD Invalid Opcode (Undefined Opcode)",
			    "#NM Device Not Available (No Math Coprocessor)",
			    "#DF Double Fault",
			    "    Coprocessor Segment Overrun (reserved)",
			    "#TS Invalid TSS",
			    "#NP Segment Not Present",
			    "#SS Stack-Segment Fault",
			    "#GP General Protection",
			    "#PF Page Fault",
			    "--  (Intel reserved. Do not use.)",
			    "#MF x87 FPU Floating-Point Error (Math Fault)",
			    "#AC Alignment Check",
			    "#MC Machine Check",
			    "#XF SIMD Floating-Point Exception"
	};
		/* 通过打印空格的方式清空屏幕的前五行，并把 disp_pos 清零 */
	disp_pos = 0;
	for(i=0;i<80*5;i++){
		disp_str(" ");
	}
	disp_pos = 0;

	disp_color_str("Exception! --> ", text_color);
	disp_color_str(err_msg[vec_no], text_color);
	disp_color_str("\n\n", text_color);
	disp_color_str("EFLAGS:", text_color);
	disp_int(eflags);
	disp_color_str("CS:", text_color);
	disp_int(cs);
	disp_color_str("EIP:", text_color);
	disp_int(eip);

	if(err_code != 0xFFFFFFFF){
		disp_color_str("Error code:", text_color);
		disp_int(err_code);
	}
}

以下就是中断异常的情况：
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所有的中断都会触发一个函数spurious_irq()，这个仅仅是把IRQ号打印出来。
接着，我们向主8259A相应端口写入了0xFD，由于0XFD对应的二进制是11111101，于是键盘中断被打开，而其他中断任然处于屏蔽状态，最后在kernel.asm中添加sti指令设置IF位，然后make后，当我们敲击键盘任意键就如出现如下图：
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