OS实验指导书 lab1总结归纳

0xFFFFFFF0 -> BIOS -> bootloader -> OS

• BIOS是固化在主板的程序，初始化硬件，准备环境，为上层软件提供访问和控制

• bootloader位于存储介质的引导扇区,切换保护模式，启用分段机制，读取ELF格式的操作系统到内存

  • 保护模式拥有4GB的寻址空间以及更好的保护机制，提供虚拟化支持
  • 实模式只有16位寻址空间，没有保护机制
  • 分段机制：将内存划分为以初始地址和长度限制表示的内存块，称之为段
    • 逻辑地址，段描述符，段描述符表，段选择子
    • 段描述符：是描述段的属性
    • 段描述符表： 段描述符的数组
    • 段选择子： 段寄存器，定位段描述符表项
  • ELF格式文件：

• 分段存储管理机制：

  1. 段寄存器：DS（Data segment） SS（Stack segment） CS（Code segment）
  2. 段寄存器里存放段选择子
  3. 段选择子由INDEX，TI，RPL三部分组成
  4. 段选择子结合GDTR里的基地址，来从GDT中选择相应的segment-descriptor，GDTR的LIMIT为GDT表项（包括第一个空表项）数目*8-1
  5. segment-descriptor包含base addr，limit，type，accessed，avaliable，granularity，dpl以及segment-present这些部分。由base addr以及logical addr里的offset一起组成linear addr，在ucore里便是physical addr，但实际中还会再由linear addr生成physical addr。

• 保护机制

  1. DS和SS里的段选择子为RPL，CS的段选择子为CPL，segment-descriptor里的为DPL
  2. CPL为进程当前的权限
  3. PL分为0-3，最低为3，最高为0，这些特权级称为环，最内为ring 0，最外为ring 3，在ucore里只使用了两级，ring 0: 内核态 ring 3:用户态。
  4. 两个关节节点时会检查特权：
     • 当一个段选择符被加载时
     • 通过linear addr访问内存页时
  5. MAX(CPL,RPL)<= DPL，如果为真，通过检测否则不通过。即当前权限或者请求权限的最低的一个必须比数据段的权限高，才可以通过。

• 地址空间

  • 逻辑地址由一个16bit的segment selector和一个32bit的offset构成

• 硬盘访问概述
  bootloader通过lba模式PIO(program IO)方式访问硬盘。所有的IO操作都是通过CPU访问硬盘的IO地址寄存器实现的
  具体寄存器的访问方式参考指导书
  流程

• Link addr&Load addr

  • Link addr：编译器和指定代码和数据所需要放置的内存地址，由链接器配置
  • Load addr： 程序实际被加载到内存的位置（由程序加载器ld配置）
  • 一般由可执行文件结构信息和加载器保证这两个地址相同

• 中断与异常
  polling较为浪费计算机资源，因此采用iterrupt机制来节约资源

  1. interrupt分为三类：

     • asynchronous interrupt，简称interrupt，是由外部事件如IO，timer，console等异步事件产生的
     • synchronous interrupt，简称exception，是由内部事件如指令错误，或非法条件同步产生的
     • trap interrupt，简称trap，也称软中断soft interrupt，是由system call产生的

  2. 当CPU收到中断信号时，会根据idtr的基地址和中断编号来定位到idt，idtr由idt addr以及limit组成，同gdtr

  3. 由idtr+编号*8即位interrupt-descriptor的地址。

  4. lidt（load idt register）根据内存所存放的idtr格式内存数加载idtr，ring 0；sidt（store idt register）拷贝idtr的内容到一个内存地址，任意特权级均可用运行

  5. id（interrupt descrptor）分为三类

     • interrupt Gate： 调用时会禁止interrupt
     • trap Gate：不会禁止interrupt
     • task Gate： ucore里没有使用

  6. id的结构：

     • selector： 段选择子，会根据CPL和DPL的值确认是否发生了特权级别的转换
     • offset： 这两者构成了中断处理程序的入口地址
     • dpl

     所谓自动禁止，是指CPU跳转到Gate里的地址时，在将EFLAGS保存到栈上之后，清除EFLAGS里的IF位，以避免重复触发中断。当然操作系统可以将EFLAGS里的IF设上，从而允许嵌套中断。当然在此之前必须做好处理嵌套中断的准备

     而trap往往时系统调用，用户进程在用户态不可以禁止中断，而到达内核态时禁止中断没有意义，因为不会有嵌套系统调用

• 中断与异常的流程

  1. 当出发中断时，根据CS里的CPL和selector所指向descriptor里的DPL判断时是否发生了特权级转换，这里，特权级要么保持，内核态到内核态，要么提升，用户态到内核态。如果发生了转化，那么会从当前用户的TSS信息里去的该程序的内核栈地址，包括ss和esp的值，并且将当前使用的栈切换成新的内核栈，再把当前用户栈的ss和esp压入内核栈
  2. 保存现场信息，像内核栈依次压入EFLAGS，CS，EIP，ERRORCODE
  3. 根据段选择子和offset，执行中断服务例程。

• 返回时
  通过iret(or iretd)指令恢复被打断程序的执行，具体过程：

  1. 从内核栈里弹出现场信息，即EFLAGS，CS，EIP重新开始执行
  2. 如果存在特权转换，则还需要弹出用户栈的ss和esp
  3. CPU在恢复过程中不会弹出errorcode，需要软件完成

• 中断与异常保护机制

  1. check DPL in selector <= CPL in CS
  2. 如果中断是被用户态程序中的指令触发，还会chck DPL in Gate <= CPL in CS，放置用户随意触发中断。
  3. 如果检查失败，会产生一个general-protection exception