【日拱一卒行而不辍20220926】自制操作系统

分页原理

在汇编文件chapter3/f/pmtest6.asm中，关于分页设置的代码如下。

此时还未开启多进程，仅有的一个进程中这个表有什么作用吗？页表需要进行切换吗？

每一个进程都会形成这样一个完整的页表。x86处理器中的CR3寄存器便是用来记录当前任务的页表位置的。当程序访问某一线性地址时，CPU会根据CR3寄存器找到当前任务使用的页表，然后根据预先定义的规则查找物理地址。

32位处理程序，一共可以操作的内存为2^32B=4GB。所以1K个表项，每一个表项管理1K个页，每一个页的大小为4K，则总共刚好为1K×1K×4K=4GB，覆盖了所有的完整的可操作的物理内存的地址空间。不管后续如何进行优化，让页表更省存储空间，基本原理还是如上所示。

; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址.; 首先初始化页目录mov  ax, SelectorPageDir ; 此段首地址为 PageDirBasemov es, axmov   ecx, 1024       ; 共 1K 个表项xor   edi, edixor eax, eaxmov eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.1:stosdadd eax, 4096       ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.loop   .1; 再初始化所有页表 (1K 个, 4M 内存空间)mov ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址为 PageTblBasemov es, axmov   ecx, 1024 * 1024    ; 共 1M 个页表项, 也即有 1M 个页xor   edi, edixor eax, eaxmov eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:stosdadd eax, 4096       ; 每一页指向 4K 的空间loop  .2mov   eax, PageDirBasemov cr3, eaxmov eax, cr0or  eax, 80000000hmov   cr0, eaxjmp short .3
.3:nopret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------

一共有1M个表项，每一个表项占据4个字节4B空间，如下所示。

所以在未经优化的情况下，一个进程为了实现页管理，最多需要的存储空间为4MB。

第一次的分页机制实现

为了最多程度减少nasm中$与$$等在理解与实际操作中可能产生的错误，以下关于操作系统的实践均在512字节中去实现。如果实在不能在第一扇区去实现，再根据前几日的扇区复制int 13/02来挪动。

最基本的开启分页机制的代码如下。

; ==========================================
; pmtest2.asm
; 编译方法：nasm pmtest2.asm -o boot.bin
; ==========================================;----------------------------------------------------------------------------
; 描述符类型值说明
; 其中:
;       DA_  : Descriptor Attribute
;       D    : 数据段
;       C    : 代码段
;       S    : 系统段
;       R    : 只读
;       RW   : 读写
;       A    : 已访问
;       其它 : 可按照字面意思理解
;----------------------------------------------------------------------------
DA_32       EQU 4000h   ; 32 位段
DA_LIMIT_4K EQU 8000h   ; 段界限粒度为 4K 字节DA_DPL0       EQU   00h   ; DPL = 0
DA_DPL1     EQU   20h   ; DPL = 1
DA_DPL2     EQU   40h   ; DPL = 2
DA_DPL3     EQU   60h   ; DPL = 3
;----------------------------------------------------------------------------
; 存储段描述符类型值说明
;----------------------------------------------------------------------------
DA_DR       EQU 90h ; 存在的只读数据段类型值
DA_DRW      EQU 92h ; 存在的可读写数据段属性值
DA_DRWA     EQU 93h ; 存在的已访问可读写数据段类型值
DA_C        EQU 98h ; 存在的只执行代码段属性值
DA_CR       EQU 9Ah ; 存在的可执行可读代码段属性值
DA_CCO      EQU 9Ch ; 存在的只执行一致代码段属性值
DA_CCOR     EQU 9Eh ; 存在的可执行可读一致代码段属性值
;----------------------------------------------------------------------------
; 系统段描述符类型值说明
;----------------------------------------------------------------------------
DA_LDT      EQU   82h   ; 局部描述符表段类型值
DA_TaskGate EQU   85h   ; 任务门类型值
DA_386TSS   EQU   89h   ; 可用 386 任务状态段类型值
DA_386CGate EQU   8Ch   ; 386 调用门类型值
DA_386IGate EQU   8Eh   ; 386 中断门类型值
DA_386TGate EQU   8Fh   ; 386 陷阱门类型值
;----------------------------------------------------------------------------
; 选择子类型值说明
; 其中:
;       SA_  : Selector AttributeSA_RPL0        EQU 0   ; ┓
SA_RPL1     EQU 1   ; ┣ RPL
SA_RPL2     EQU 2   ; ┃
SA_RPL3     EQU 3   ; ┛SA_TIG       EQU 0   ; ┓TI
SA_TIL      EQU 4   ; ┛
;----------------------------------------------------------------------------;----------------------------------------------------------------------------
; 分页机制使用的常量说明
;----------------------------------------------------------------------------
PG_P        EQU 1   ; 页存在属性位
PG_RWR      EQU 0   ; R/W 属性位值, 读/执行
PG_RWW      EQU 2   ; R/W 属性位值, 读/写/执行
PG_USS      EQU 0   ; U/S 属性位值, 系统级
PG_USU      EQU 4   ; U/S 属性位值, 用户级
;----------------------------------------------------------------------------; 宏 ------------------------------------------------------------------------------------------------------
;
; 描述符
; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3dw   %2 & 0FFFFh             ; 段界限 1             (2 字节)dw    %1 & 0FFFFh             ; 段基址 1             (2 字节)db    (%1 >> 16) & 0FFh         ; 段基址 2             (1 字节)dw    ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)   ; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2     (2 字节)db    (%1 >> 24) & 0FFh         ; 段基址 3             (1 字节)
%endmacro ; 共 8 字节
;
; 门
; usage: Gate Selector, Offset, DCount, Attr
;        Selector:  dw
;        Offset:    dd
;        DCount:    db
;        Attr:      db
%macro Gate 4dw (%2 & 0FFFFh)               ; 偏移 1              (2 字节)dw    %1                  ; 选择子               (2 字节)dw    (%3 & 1Fh) | ((%4 << 8) & 0FF00h) ; 属性                    (2 字节)dw    ((%2 >> 16) & 0FFFFh)         ; 偏移 2              (2 字节)
%endmacro ; 共 8 字节
; ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^PageDirBase      equ 200000h ; 页目录开始地址: 2M
PageTblBase     equ 201000h ; 页表开始地址: 2M+4Korg 07c00hjmp   LABEL_BEGIN[SECTION .gdt]
; GDTLABEL_GDT:     Descriptor  0,          0, 0           ;
LABEL_DESC_CODE32:  Descriptor  0,  SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32;
LABEL_DESC_VIDEO:   Descriptor  0B8000h,           0ffffh, DA_DRW        ;
LABEL_DESC_PAGE_DIR:    Descriptor  PageDirBase, 4095, DA_DRW;Page Directory
LABEL_DESC_PAGE_TBL:    Descriptor  PageTblBase, 1023, DA_DRW|DA_LIMIT_4K;Page Tables; GDT 结束GdtLen     equ $ - LABEL_GDT   ; GDT长度
GdtPtr      dw  GdtLen - 1  ; GDT界限dd   0       ; GDT基地址; GDT 选择子
SelectorCode32      equ LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT
SelectorVideo       equ LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT
SelectorPageDir equ LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDT
SelectorPageTbl equ LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt][SECTION .s16]
[BITS   16]
LABEL_BEGIN:mov ax, csmov   ds, axmov   es, axmov   ss, axmov   sp, 0100h; 初始化 32 位代码段描述符xor    eax, eaxmov ax, csshl   eax, 4add   eax, LABEL_SEG_CODE32mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], axshr    eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah; 为加载 GDTR 作准备xor  eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4add   eax, LABEL_GDT      ; eax <- gdt 基地址mov  dword [GdtPtr + 2], eax    ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; load GDTRlgdt    [GdtPtr]; close interruptcli; open A20in    al, 92hor   al, 00000010bout    92h, al; perpare to switch to PMmov eax, cr0or  eax, 1mov   cr0, eax; inter PMjmp   dword SelectorCode32:0  ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs,; 并跳转到 Code32Selector:0  处
; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS   32]LABEL_SEG_CODE32:call    SetupPagingmov  ax, SelectorVideomov    gs, ax          ; 视频段选择子(目的)mov edi, (80 * 11 + 0) * 2 ; 屏幕第 11 行, 第 79 列。mov  ah, 0Ch         ; 0000: 黑底    1100: 红字mov   al, 'P'mov    [gs:edi], ax; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址.; 首先初始化页目录mov  ax, SelectorPageDir ; 此段首地址为 PageDirBasemov es, axmov   ecx, 1024       ; 共 1K 个表项xor   edi, edixor eax, eaxmov eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.1:stosdadd eax, 4096       ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.loop   .1; 再初始化所有页表 (1K 个, 4M 内存空间)mov ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址为 PageTblBasemov es, axmov   ecx, 1024 * 1024    ; 共 1M 个页表项, 也即有 1M 个页xor   edi, edixor eax, eaxmov eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:stosdadd eax, 4096       ; 每一页指向 4K 的空间loop  .2mov   eax, PageDirBasemov cr3, eaxmov eax, cr0or  eax, 80000000hmov   cr0, eaxjmp short .3
.3:nopret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------; 到此停止jmp  $times  261 db 0dw  0xaa55SegCode32Len  equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

运行效果如下所示

开启了分页之后，单进程涉及的开启32位保护模式、分段机制、分页机制已全部完成。

后续就是进入了多进程操作系统的设计。主要包含了配置任务数据结构、生成新的进程、设置时间切片中断三个主要任务了。

根据512字节内容布局，目前已经使用了240个字节，还有270个字节可以使用。

as@as-virtual-machine:~/osdir/chapter3H$ hexdump -Cv boot
00000000  e9 31 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 6f 01 00 00  |.1..........o...|
00000010  00 98 40 00 ff ff 00 80  0b 92 00 00 ff 0f 00 00  |..@.............|
00000020  20 92 00 00 ff 03 00 10  20 92 80 00 27 00 00 00  | ....... ...'...|
00000030  00 00 00 00 8c c8 8e d8  8e c0 8e d0 bc 00 01 66  |...............f|
00000040  31 c0 8c c8 66 c1 e0 04  66 05 90 7c 00 00 a3 0e  |1...f...f..|....|
00000050  7c 66 c1 e8 10 a2 10 7c  88 26 13 7c 66 31 c0 8c  ||f.....|.&.|f1..|
00000060  d8 66 c1 e0 04 66 05 04  7c 00 00 66 a3 2e 7c 0f  |.f...f..|..f..|.|
00000070  01 16 2c 7c fa e4 92 0c  02 e6 92 0f 20 c0 66 83  |..,|........ .f.|
00000080  c8 01 0f 22 c0 66 ea 00  00 00 00 08 00 00 00 00  |...".f..........|
00000090  e8 13 00 00 00 66 b8 10  00 8e e8 bf e0 06 00 00  |.....f..........|
000000a0  b4 0c b0 50 65 66 89 07  66 b8 18 00 8e c0 b9 00  |...Pef..f.......|
000000b0  04 00 00 31 ff 31 c0 b8  07 10 20 00 ab 05 00 10  |...1.1.... .....|
000000c0  00 00 e2 f8 66 b8 20 00  8e c0 b9 00 00 10 00 31  |....f. ........1|
000000d0  ff 31 c0 b8 07 00 00 00  ab 05 00 10 00 00 e2 f8  |.1..............|
000000e0  b8 00 00 20 00 0f 22 d8  0f 20 c0 0d 00 00 00 80  |... ..".. ......|
000000f0  0f 22 c0 eb 00 90 c3 eb  fe 00 00 00 00 00 00 00  |."..............|
00000100  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000110  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000120  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000130  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000140  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000150  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000160  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000170  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000180  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000190  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001a0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001d0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200