Linux 0.00简单多任务内核head.s超详注释
2024-05-06 07:56:49
# head.s包含32位保护模式初始化设置代码、时钟中断代码、系统调用中断代码和两个任务的代码。
# 在初始化完成之后程序移动到任务0开始执行，并在时钟中断控制下进行任务0和1之间的切换操作。
LATCH = 11930 # 定时器初始计数值，即每隔10毫秒发送一次中断请求。 问：为何是这个值？
SCRN_SEL = 0x18 # 屏幕显示内存段选择符。 问：以下这些选择符是怎么定的值？
TSS0_SEL = 0x20 # 任务0的TSS段选择符。
LDT0_SEL = 0x28 # 任务0的LDT段选择符。
TSS1_SEL = 0x30 # 任务1的TSS段选择符。
LDT1_SEL = 0x38 # 任务1的LDT段选择符。
.global startup_32 # 作用？
.text # 表示可执行代码段（问：实际在编译时有什么影响吗？）
startup_32:
# 首先加载数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和堆栈指针ESP。所有段的线性基地址都是0.
movl $0x10, %eax # 0x10是GDT中数据段选择符。
# 解释一下以上的数据段选择符为什么是0x10：
# 首先，要知道段选择符的格式为：15-3:描述符索引；2:TI(Table index表指示标志)；1-0:RPL(Requested Privilege Level请求特权级)
# 这里，实际上数据段应该是第二个段，故索引的二进制为10,而TI和RPL都是0，所以，后面添三位0，乘以8，故选择符即为：0x10(=10 0 00)
mov %ax, %ds # ds就是存放数据段选择符的段寄存器，这条指令将ax的值0x0010传递给ds寄存器
lss init_stack, %esp # LSS:加载堆栈段(问：标号init_stack默认是一个多少位的地址？)
# lss mem, reg: mem低字->reg，mem高字->ss (问：1.低字和高字分别占多少位？这样说来，该堆栈段的长度即使2^(mem低字的位数喽？) 2.指令有什么影响？ 3.堆栈段描述符为什么不在GDT中？)
# 在新的位置重新设置IDT和GDT表。
call setup_idt
call setup_gdt
movl $0x10, %eax
mov %ax, %ds # ds没有变，这句可省略
mov %ax, %es
mov %ax, %fs
mov %ax, %gs
lss init_stack, %esp # ss和esp也都没有变，这句可省略
# 设置8253定时芯片。把计数器通道0设置成每隔10毫秒向中断控制器发送一个中断请求信号。
# 下面介绍一下8253定时芯片：
# 8253具有3个独立的计数通道，采用减1计数方式。在门控信号有效时，每输入1个计数脉冲，通道作1次计数操作。当计数脉冲是已知周期的时钟信号时，计数就成为定时。
# 方式3为：方波发生器，最适合计算机。
movb $0x36, %al # 控制字：设置通道0工作在方式3、计数器初值采用二进制。
movl $0x43, %edx # 8253芯片控制字寄存器写端口。
outb %al, %dx
movl $LATCH, %eax # 初始计数值设置为LATCH(1193180/100),即频率100HZ。(问：这里是什么意思？1193180是怎么出来的？)
movl $0x40, %edx # 通道0的端口。
outb %al, %dx # 分两次把初始计数值写入通道0.
movb %ah, %al
outb %al, %dx
# 在IDT表第8和第128(0x80)项处分别设置定时中断门描述符和系统调用陷阱门描述符。
# 这里先解释一下int $0x80:
# int $0x80是一条AT&T语法的中断指令，用于Linux的系统调用。
# Linux系统下的汇编语言比较喜欢用AT&T的语法，如果翻译成Intel的语法就是int 80h，就像我们在Intel的语法下的DOS汇编中经常用的int 21h调用DOS中断，同样如果换成AT&T语法就是int $0x80。
# 不过无论使用那一种语法，int $0x80或者int 80h都是针对Linux的，在DOS或者Windows下不起相应作用。反之亦然。
movl $0x00080000, %eax # 中断程序属内核，即EAX高字是内核代码段选择符0x0008(即索引为1，TI=0，RPL=00)
movw $timer_interrupt, %ax # 设置定时中断门描述符。取定时中断处理程序地址。
movw $0x8E00, %dx # 中断门类型是14(屏蔽中断)，特权级0或硬件使用。
movl $0x08, %ecx # 开机时BIOS设置的时钟中断向量号8.这里直接使用它。
lea idt(, %ecx, 8), %esi # 把IDT描述符0x08地址放入ESI中，然后设置该描述符
movl %eax, (%esi)
movl %edx, 4(%esi)
movw $system_interrupt, %ax # 设置系统调用陷阱门描述符。取系统通调用处理程序地址。
movw $0xef00, %dx # 陷阱门类型是15，特权级3的程序可执行。
movl $0x80, %ecx # 系统调用向量号是0x80。
lea idt(, %ecx, 8), %esi # 把IDT描述符项0x80地址放入ESI中，然后设置该描述符。
movl %eax, (%esi)
movl %edx, 4(%esi)
# 好了，现在我们为移动到任务0(任务A)中执行来操作堆栈内容，在堆栈中人工建立中断返回时的场景。
# 注: 由于处于特权级0的代码不能直接把控制权转移到特权级3的代码中执行，但中断返回操作是可以的，因此当初始化GDT、IDT和定时芯片结束后，我们就利用中断返回指令IRET来启动运行第1个任务。
# 具体实现方法是在初始堆栈init_stack中人工设置一个返回环境。即把任务0的TSS段选择符加载到任务寄存器LTR中、LDT段选择符加载到LDTR中以后，
# 把任务0的用户栈指针(0x17:init_stack)和代码指针(0x0f:task0)以及标志寄存器压入栈中，然后执行中断返回指令IRET。
# 该指令会弹出堆栈上的堆栈指针作为任务0的用户栈指针，恢复假设的任务0的标志寄存器内容，并且弹出栈中代码指针放入CS：EIP寄存器中，从而开始执行任务0的代码，
# 完成了从特权级0到特权级3的控制转移。
pushfl # 复位标志寄存器EFLAGS中的嵌套任务标志。
andl $0xffffbfff, (%esp)
# 解释一下EFLAGS寄存器中的NT标志：
# 位14是嵌套任务标志(Nested Task)。它控制这被中断任务和调用任务之间的链接关系。在使用CALL指令、中断或异常执行任务调用时，处理器会设置该标志。在通过使用IRET指令从一个任务返回时，处理器会检查并修改这个NT标志。
# 使用POPF/POPFD指令也可以修改这个标志，但是在应用程序中改变这个标志的状态会产生不可意料的异常。
# 嵌套任务标志NT用来控制中断返回指令IRET的执行。具体规定如下：
# (1) 当NT=0，用堆栈中保存的值恢复EFLAGS、CS和EIP，执行常规的中断返回操作；
# (2) 当NT=1，通过任务转换实现中断返回。
popfl
movl $TSS0_SEL, %eax # 把任务0的TSS段选择符加载到任务寄存器TR。
ltr %ax
movl $LDT0_SEL, %eax # 把任务0的LDT段选择符加载到局部描述符表寄存器LDTR。
lldt %ax # TR和LDTR只需人工加载一次，以后CPU会自动处理。
movl $0, current # 把当前任务号0保存在current变量中。
sti # 现在开启中断，并在栈中营造中断返回时的场景。
pushl $0x17 # 把任务0当前局部空间数据段(堆栈段)选择符如栈。
# 问：0x17是怎么来的？
# 答：0x17是任务0的数据段选择符，由下面设置的ldt0可知，数据段Index=2，TI=1(表示在LDT中)，RPL=3(处理器的保护机制可识别4个特权级，0级到3级，详见4.5.1 段级保护)，故得0x17
pushl $init_stack # 把堆栈指针入栈(也可以直接把ESP入栈)。
pushfl # 把标志寄存器入栈。
pushl $0x0f # 把当前局部空间代码段选择符入栈。
pushl $task0 # 把代码指针入栈。注意！pushl和push也是有区别的，我之前写成了push，运行就出错了！
iret # 执行中断返回指令，从而切换到特权级3的任务0中执行。
# 以下是设置GDT和IDT中描述符项的子程序。
setup_gdt: # 使用6字节操作数lgdt_opcode设置GDT表位置和长度。
lgdt lgdt_opcode # lgdt指令加载GDT的入口地址(这里由lgdt_opcode指出)到GDTR中
ret
setup_idt:
lea ignore_int, %edx # 设置方法与设置定时中断门描述符的方法一样。
movl $0x00080000, %eax # 选择符位0x0008。
movw %dx, %ax # (注：ax为eax的低16位)
movw $0x8E00, %dx
lea idt, %edi
mov $256, %ecx # 循环设置所有256个门描述符项。
rp_idt: movl %eax, (%edi)
movl %edx, 4(%edi)
addl $8, %edi
dec %ecx
jne rp_idt
lidt lidt_opcode
ret
# 显示字符子程序。取当前光标位置并把AL中的字符显示在屏幕上。整屏可显示80X25个字符。
write_char:
push %gs
pushl %ebx
# pushl %eax
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
# 以下是3个中断处理程序：默认中断、定时中断和系统调用中断。
# ignore_int是默认的中断处理程序，若系统产生了其他中断，则会载屏幕显示一个字符‘C’。
.align 2 # align是对齐的指令 (注意：之后来好好研究一下关于对齐这个问题)
ignore_int:
push %ds
pushl %eax
movl $0x10, %eax # 首先让DS指向内核数据段，因为中断程序属于内核。
mov %ax, %ds
movl $67, %eax # 在AL中存放字符'C'的代码，调用显示程序显示在屏幕上。
call write_char
popl %eax
pop %ds
iret
# 这是定时中断处理程序。其中主要执行任务切换操作。
.align 2
timer_interrupt:
push %ds
pushl %eax
movl $0x10, %eax # 首先让DS指向内核数据段。这两句不要不影响。
mov %ax, %ds
movb $0x20, %al # 然后立刻允许其他硬件中断，则向8253发送EOI命令。 这两句必须要！
outb %al, $0x20
movl $1, %eax
cmpl %eax, current
je 1f
movl %eax, current # 若当前任务是0，则把1存入current，并跳转到任务1
ljmp $TSS1_SEL, $0 # 去执行。注意跳转的偏移值无用，但需要写上。
jmp 2f
1: movl $0, current # 若当前任务是1，则把0存入current，并跳转到任务0
ljmp $TSS0_SEL, $0
2: popl %eax
pop %ds
iret
# 系统调用中断int0x80处理程序。该示例只有一个显示字符功能。
# 说明：system_interrup这个中断处理程序将由两个任务来调用。
.align 2
system_interrupt:
push %ds
pushl %edx
push %ecx
pushl %ebx
pushl %eax
movl $0x10, %edx # 首先让DS指向内核数据段
mov %dx, %ds
call write_char # 然后调用显示字符子程序write_char, 显示AL中的字符
popl %eax
popl %ebx
popl %ecx
popl %edx
pop %ds
iret
/*****************************************************************/
current: .long 0 # 当前任务号(0或1)。
scr_loc: .long 0 # 屏幕显示位置。按从左上角到右下角顺序显示。
.align 2
lidt_opcode:
.word 256*8-1 # 加载IDTR寄存器的6字节操作数：表长度和基地址。
.long idt
lgdt_opcode:
.word (end_gdt-gdt)-1 # 这个16位数表示GDT的段限长(注意：书P88:限长为0表示有1个有效字节。因为段描述符总是8字节长，因此GDT的限长值应该设置成总是8的倍数减1(即8N-1)) 问：1.N在哪里？
.long gdt # 这个32位数表示GDT的基地址
.align 8
idt: .fill 256,8,0 # IDT表空间。每个门描述符8字节，共占用2KB字节。(注：.fill伪指令？？？)
gdt: .quad 0x0000000000000000 # GDT表。第1个描述符不用。
.quad 0x00c09a00000007ff # 第2个是内核代码段描述符。其选择符是0x08。
.quad 0x00c09200000007ff # 第3个是内核数据段描述符。其选择符是0x10。
.quad 0x00c0920b80000002 # 第4个是显示内存段描述符。其选择符是0x18。
.word 0x68, tss0, 0xe900, 0x0 # 第5个是TSS0段的描述符。其选择符是0x20
.word 0x40, ldt0, 0xe200, 0x0 # 第6个是LDT0段的描述符。其选择符是0x28
.word 0x68, tss1, 0xe900, 0x0 # 第7个是TSS1段的描述符。其选择符是0x30
.word 0x40, ldt1, 0xe200, 0x0 # 第8个是LDT1段的描述符。其选择符是0x38
end_gdt:
.fill 128,4,0 # 初始内核堆栈空间(问：.fill是什么意思？)
init_stack:
.long init_stack # 堆栈段偏移位置。
.word 0x10 # 堆栈段同内核数据段
# 下面是任务0的LDT表段中的局部段描述符。
.align 8
ldt0: .quad 0x0000000000000000 # 第1个描述符，不用。
.quad 0x00c0fa00000003ff # 第2个局部代码段描述符，对应选择符是0x0f
.quad 0x00c0f200000003ff # 第3个局部数据段描述符，对应选择符是0x17
# 下面是任务0的TSS段的内容。注意其中标号等字段在任务切换时不会改变。
tss0: .long 0 /* back link */
.long krn_stk0, 0x10 /* esp0, ss0 */
.long 0, 0, 0, 0, 0 /* esp1, ss1, esp2, ss2, cr3 */
.long 0, 0, 0, 0, 0 /* eip, eflags, eax, ecx, edx */
.long 0, 0, 0, 0, 0 /* ebx, esp, ebp, esi, edi */
.long 0, 0, 0, 0, 0, 0 /* es, cs, ss, ds, fs, gs */
.long LDT0_SEL, 0x8000000 /* ldt, trace bitmap */
.fill 128, 4, 0 # 这是任务0的内核栈空间。
krn_stk0:
# 下面是任务1的LDT表段内容和TSS段内容
.align 8
ldt1: .quad 0x0000000000000000 # 第1个描述符，不用
.quad 0x00c0fa00000003ff # 选择符是0x0f，基地址=0x00000。
.quad 0x00c0f200000003ff # 选择符是0x17，基地址=0x00000。
tss1: .long 0 /* back link */
.long krn_stk1, 0x10 /* esp0, ss0 */
.long 0, 0, 0, 0, 0 /* esp1, ss1, esp2, ss2, cr3 */
.long task1, 0x200 /* eip, eflags */
.long 0, 0, 0, 0 /* eax, ecx, edx, ebx */
.long usr_stk1, 0, 0, 0 /* esp, ebp, esi, edi */
.long 0x17, 0x0f, 0x17, 0x17, 0x17, 0x17 /* es, cs, ss, ds, fs, gs */
.long LDT1_SEL, 0x8000000 /* ldt, trace bitmap */
.fill 128, 4, 0 # 这是任务1的内核栈空间。其用户栈直接使用初始栈空间。
krn_stk1:
# 下面是任务0和任务1的程序，他们分别循环显示字符'A'和'B'。
task0:
movl $0x17, %eax # 首先让DS指向任务的局部数据段。
movw %ax, %ds # 因为任务没有使用局部数据，所以这两句可省略。
movb $65, %al # 把需要显示的字符'A'放入寄存器中。
int $0x80 # 执行系统调用，显示字符。
movl $0xfff, %ecx # 执行循环，起延时作用。
1: loop 1b
jmp task0 # 跳转到任务代码开始处继续显示字符。
task1:
movb $66, %al # 把需要显示的字符'B'放入寄存器中。
int $0x80 # 执行系统调用，显示字符。
movl $0xfff, %ecx # 执行循环，起延时作用。
1: loop 1b
jmp task1 # 跳转到任务代码开始处继续显示字符。
.fill 128,4,0 # 这是任务1的用户栈空间。
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