X86实模式到保护模式，分时多任务操作系统V0.0.1版本(完整代码)
前言
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看到了自己以前写的代码，头晕， 想吐，想起了操作系统的那些事， 头就更疼了，为了将来不再头疼，就想记录下来，当然了， 这也是是一个学习操作系统很简单的小入门程序
本案例系统镜像由两部分组成：
第一部分是 loader.img，512字节, 由 loader.s汇编程序 编译而成，干两件事：
1） 将内核代码 从磁盘加载到内存。
2） 进入保护模式，实现到内核代码段的关键跳转，这一跳是头也不回的那种。
第二部分镜像就是内核代码start.img, 由 start.s, kernal.c ,kernal.h 编译而成， 镜像大小8K，事实上没那么大，就几行代码，是我硬是要她那么大，程序小点没啥关系，但占地方一定要大。主要功能是实现 分时多任务， 汇编文件主要处理 几个中断 iret, c 主要处理了用到的数据结构，包括 IDT表， LDT表，TSS, GDT表，以及这些结构的初始化工作， 还有就是 栈空间的初始化，本案例中，有两个任务，任务0打印 “0123”， 任务1打印 “abcd” ， 一个任务 用到 两个栈，就是内核栈和用户栈, 就是 0特权和3特权下使用的栈。
一、引导
BIOS 会将我们硬盘的引导扇区512字节，自动加载到 内存 0x7c00 处， 然后在实模式下开始执行我们的引导代码。
二、引导代码 分析
1.将kernal 从第二个扇区开始 8K 大小加载进内存 0x10000地址
代码如下：
seg_7c00 = 0x07c0
seg_1000 = 0x1000
kernal_length=17 ;; 8k
start:
jmpi init_seg, #seg_7c00 ;;; 段间跳转 跳完之后 cs = 0x07c0 eip = 0x5
init_seg:
mov ax, cs ;;; 设置 几个段寄存器 为 0x07c0
mov ds, ax
mov ss, ax
mov es, ax
mov sp, #400 ;;
copy_kernal_to_mem: ;; 利用 bios 0x13中断，从硬盘拷贝数据进内存 0x10000
mov dx, #0x0080
mov cx, #0x0002
mov ax, #seg_1000
mov es, ax
xor bx, bx
mov ax, #0x200 + kernal_length
int 0x13
jnc stack_pop_es02 ;; 成功之后 打印一串提示信息
stack_pop_es01:
mov ax, #seg_7c00
mov es, ax
error_info:
push es
mov cx, #28
mov dx, #0x1004
mov bx, #0x000C
mov bp, #msg1
mov ax, #0x1301
int 0x10
pop es
die: jmp die ;; 不成功就死这
stack_pop_es02:
mov ax, #seg_7c00
mov es, ax
success_info:
push es
mov cx, #30
mov dx, #0x1004
mov bx, #0x000C
mov bp, #msg2
mov ax, #0x1301
int 0x10
pop es
2.将kernal 从 0x10000地址拷贝到 0x0 地址
我们的程序是基于分段模式，在设置 IDT, TSS，人工设置返回堆栈的时候都要用到偏移地址，如果程序运行时地址不在0处，需要重新计算偏移地址， 显得很麻烦。
load_to_zero:
cli ;; 关中断，不被打扰
;;;;;; 内存拷贝;;;;
mov ax, #seg_1000
mov ds, ax
xor ax, ax
mov es,ax
mov cx, #0x1000 ;; 4k次 * 2B = 8K
sub si, si
sub di, di
rep
movw
;;;;;;; 下面开始为进入保护模式做准备;;;;;;;;;
mov ax, #seg_7c00
mov ds, ax
;;;;;;;;; 设置 临时 gdt, 和idt
lidt idt_48
lgdt gdt_48
;;;;; 进入实模式
mov ax , #0x0001
lmsw ax
;;;;;; 跳转进 内核的代码段，就是 GDT[1] 那个描述符，基地址是 0，程序所在位置也是 0地址，kernal 的入口
jmpi 0,8
msg1:
.ascii "copy system to mem error.."
.byte 13,10
msg2:
.ascii "copy system to mem success.."
.byte 13,10
idt_48: .word 0
.word 0xfc00, 0
gdt_48: .word 0x07ff
.word 0x7c00 + gtd_tbl, 0
gtd_tbl: .word 0,0,0,0
.word 0x07ff
.word 0x0000
.word 0x9a00
.word 0x00c0
.word 0x07ff
.word 0x0000
.word 0x9200
.word 0x00c0
.org 510
.word 0xAA55 ;;;; 呵呵
三、主程序 分析
1. 重新设置新的 IDT,LDT,TSS,GDT， 任务0和任务1的内核栈和用户栈
代码如下：
void setup_idt()
{
Idt temp[256];
int i;
for (i = 0; i < 256; i++) {
if ( i == 8) {
Idt t = idt_desc((int32)int_vec_08, 0x0008, 0x8E);
temp[i] = t;
continue;
}
if ( i == 128) {
Idt t = idt_desc((int32)int_vec_128, 0x0008, 0xef);
temp[i] = t;
continue;
}
Idt t = idt_desc((int32)int_ignore, 0x0008, 0x8E);
temp[i] = t;
}
memcp(idt_tbl, temp, sizeof(temp));
Idtr idtr_value = { 256*8 , (char *)idt_tbl } ; // IDTR 寄存器
idtr_value_assignment(&idtr_value);
}
void setup_ldt()
{
Ldt temp0[] = {{0,0,0,0,0,0},
{0x03ff, 0x0000, 0x00, 0xfa, 0xc0, 0x00}, // 0x0f code-desc 任务0用户代码段
{0x03ff, 0x0000, 0x00, 0xf2, 0xc0, 0x00}}; // 0x17 data-desc 任务0用户数据段
memcp(ldt0, temp0, sizeof(temp0));
Ldt temp1[] = {{0,0,0,0,0,0},
{0x03ff, 0x0000, 0x00, 0xfa, 0xc0, 0x00}, // 0x0f code-desc 任务0用户代码段
{0x03ff, 0x0000, 0x00, 0xf2, 0xc0, 0x00}}; // 0x17 data-desc 任务0用户数据段
memcp(ldt1, temp1, sizeof(temp1));
}
void setup_tss()
{
Tss ts0 = (Tss){ 0x0, (int32)tss0_kernal_stack + 1024 , 0x10, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
(int32)task0, 0x200, 0x0,0x0,0x0,0x0, (int32)tss0_user_stack + 512, 0x0,0x0,0x0,
0x17, 0x0f, 0x17, 0x17, 0x17, 0x17, 0x28, 0x80000000
};
Tss ts1 = (Tss){ 0x0, (int32)tss1_kernal_stack + 1024 , 0x10, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
(int32)task1, 0x200, 0x0,0x0,0x0,0x0, (int32)tss1_user_stack + 512 , 0x0,0x0,0x0,
0x17, 0x0f, 0x17, 0x17, 0x17, 0x17, 0x38, 0x80000000
};
memcp(&tss0, &ts0, sizeof(ts0));
memcp(&tss1, &ts1, sizeof(ts1));
}
void setup_gdt()
{
Gdt temp[8] = { {0,0,0,0,0,0},
{0x07ff, 0x0000, 0x00, 0x9a, 0xc0, 0x00}, // 0x08 内核代码段 base = 0x10000
{0x07ff, 0x0000, 0x00, 0x92, 0xc0, 0x00}, // 0x10 base = 0x10000
{0x0002, 0x8000, 0x0b, 0x92, 0xc0, 0x00}, // 0x18 内核显示区域 2*4k base = 0xb8000
{0x0068, (int32)(&tss0), 0x00, 0xe9, 0x00, 0x00}, // 0x20 任务0的 段描述符 sizeof(TSS) = 0x68 base = 0x10000
{0x0040, (int32)ldt0 , 0x00, 0xe2, 0x00, 0x00}, // 0x28 任务0的 LDT描述符 8*8=0x40 ldt最多8个表项 base = 0x10000
{0x0068, (int32)(&tss1) , 0x00, 0xe9, 0x00, 0x00}, // 0x30 任务1的 TSS描述符
{0x0040, (int32)ldt1, 0x00, 0xe2, 0x00, 0x00} }; // 0x38 任务1的 LDT描述符
memcp(gdt_tbl, temp, sizeof(temp));
Gdtr gdtr_value = { 8*8 , (char *)gdt_tbl } ; // GDTR 寄存器
gdtr_value_assignment(&gdtr_value);
}
void setup_8253()
{
set_up_8253(0x36, 0x40, 11930); // 100hz 1秒 100次中断， 时钟周期 1/100 s = 10ms
}
2. 从内核 空间 跳转进入用户空间，执行 任务0
主要利用 iret 中断返回指令，利用硬件工作原理， 人工设置返回堆栈,状态寄存器和 和cs:eip寄存器，跳转到任务0运行。
### GDT 选择子
gdt_scrn_selector=0x18 #### 0x18 ---> 二进制 [00011] [0][00] 特权级[00] 选择符[0]:GDT表 索引=[00011]= 3,GDT[3]
gdt_tss0_selector=0x20
gdt_ldt0_selector=0x28
gdt_tss1_selector=0x30
gdt_ldt1_selector=0x38
.global _start, int_ignore, int_vec_08, int_vec_128, task0, task1
_start:
movl $0x10, %eax ## 0x10 是GDT 表中的 数据段描述符
mov %ax, %ds ## 初始化各种段
mov %ax, %es
mov %ax, %fs
mov %ax, %gs
lss init_stack, %esp ### 下面调用 C 函数要用到 栈，所以要先初始化栈
call sys_init ## 调用C 初始化 IDT, LDT, TSS, GDT
call setup_8253 ### 初始化 8253 定时芯片，时间片实现原理
;;;;;;; 准备从 内核态 进入 用户态 执行任务0
pushfl
andl $0xffffbfff, (%esp) #### NF = 0， 关闭任务链
popfl
movl $gdt_tss0_selector, %eax ### 设置 任务0 的 tr 选择子
ltr %ax
movl $gdt_ldt0_selector, %eax ### 设置 任务0 的 ldt 选择子
lldt %ax
movl $0, current_task_no ## 设置当前任务0
sti ## 中断使能，设置任务0的用户空间IF=1
####### 在当前内核栈中 手工设置 iret 返回时候的五个寄存器
pushl $0x17 ## 任务0 ss
movl $tss0_user_stack, %eax ## 任务0 用户栈
addl $512, %eax
pushl %eax
pushfl ## 任务0 cs
pushl $0x0f
pushl $task0 ## 任务0 eip
iret ## cs:eip=0x0f:task0, ss:esp=0x17:用户栈地址
3. 中断处理
时钟中断 int 0x8 , 系统中断 int 0x80，中断的原理这里不再赘述。
int_ignore:
pushl $_do_int_ignore
jmp _int_wrapper
int_vec_08:
pushl $_do_int_vec_08
jmp _int_wrapper
int_vec_128:
pushl $_do_int_vec_128
jmp _int_wrapper
_do_int_ignore:
movl $67, %eax
call write_char
ret
_do_int_vec_08:
movb $0x20, %al
outb %al, $0x20
movl $1, %eax
cmpl %eax, current_task_no
je 1f
movl %eax, current_task_no
ljmp $gdt_tss1_selector, $0 ## 保存 tss0, 运行 tss1, 切换到tss1的堆栈
jmp 2f
1: movl $0, current_task_no
ljmp $gdt_tss0_selector, $0
2: ret
_do_int_vec_128:
call write_char
ret
### 中断发生 软件处理的 寄存器 出入栈
_int_wrapper:
xchgl %ecx,(%esp) # &function ---> ecx
pushl %ebx
pushl %eax
pushl %edx
pushl %edi
pushl %esi
pushl %ebp
push %ds
push %es
push %fs
push %gs
movl $0x10, %edx
mov %dx, %ds
mov %dx, %es
mov %dx, %fs
call *%ecx
pop %gs
pop %fs
pop %es
pop %ds
popl %ebp
popl %esi
popl %edi
popl %edx
popl %eax
popl %ebx
popl %ecx
iret
效果演示：
项目完成源码下载地址： https://download.csdn.net/download/u010209554/86246383