第6课：多任务 下载源代码
声明：转载请保留：
译者：http://www.cppblog.com/jinglexy
原作者：xiaoming.mo at skelix dot org
MSN & Email: jinglexy at yahoo dot com dot cn目标
在本课中，我们将在skelix内核中同时运行多个任务（本文中可以暂时理解成进程）。每个任务都有自己的LDT表，并且是基于优先级的任务调度。
现在我们开始skelix内核的多任务支持工作了。首先要澄清的是：在单处理器上面，进程只能并发，而不是并行。就是说同一时刻只能有一个任务在运行，cpu会划分很多很小的时间片来运行各个任务，这样看起来就像多个任务在同时运行一样。i386从硬件上就支持多任务了，但是也可以通过编程来实现，本文就是一个例子，每个任务轮流运行一个小的时间片。我们知道，单个cpu只有1组寄存器，这些可以用于所有任务。当由一个任务切换到另一个任务时，必须先保存原来任务的运行环境（就是一堆寄存器和其他信息），通常称这个运行环境叫‘上下文’。i386使用一个叫TSS的段来存储这些信息，这个TSS段至少104字节（不包括IOPL位图的话），对应它的是一个TSS描述符。TSS描述符只能在GDT表中，这意味着任务不能自己通过LDT来切换到其他任务。当时钟中断到来切换任务时，CPU会自动保存相关信息到TSS中。
TSS定义了任务的上下文环境，结构如下：
（图－1）
31 16,15 0
+------------------------+ |
| NO use | Back Link | | 高地址
+------------------------+ |
| ESP0 | |
+------------------------+ |
| NO use | SS0 | |
+------------------------+ |
| ESP1 | |
+------------------------+ |
| NO use | SS1 | | 低地址
+------------------------+ \|/
| ESP2 |
+------------------------+
| NO use | SS2 |
+------------------------+
| CR3 |
+------------------------+
| EIP |
+------------------------+
| EFLAGS |
+------------------------+
| EAX |
+------------------------+
| ECX |
+------------------------+
| EDX |
+------------------------+
| EBX |
+------------------------+
| ESP |
+------------------------+
| EBP |
+------------------------+
| ESI |
+------------------------+
| EDI |
+------------------------+
| NO use | ES |
+------------------------+
| NO use | CS |
+------------------------+
| NO use | SS |
+------------------------+
| NO use | DS |
+------------------------+
| NO use | FS |
+------------------------+
| NO use | GS |
+------------------------+
| NO use | LDT |
+------------------------+
| I/O 位图 | NO use | T |
+------------------------+
i386处理器可以使用嵌套任务，就是说当任务1切换到任务2时，任务2 的 Back Link 域被设置成任务1的选择子，且任务2的EFLAGS中的NT（嵌套任务标识）置位，这样任务2返回时，cpu就知道切换回任务1。我们知道，i386有4中特权级，所以可以在TSS中设置这四种特权级下的堆栈。比如一个任务运行在ring3特权级下，它使用用户态堆栈，使用系统调用可以让这个任务切换到ring0的内核态，这是堆栈也必须切换到内核态堆栈。这些堆栈指针就是存放在TSS中的。现在我们来看看TSS描述符（它只能放在GDT中）：
图－2：TSS描述符定义
63_______________56__55__54__53__52__51_____________48_
| 基地址（31到24位） | G | 0 | 0 |AVL| 长度（19到16位） |
|_______________________________________________________|
_47__46__45__44________41__40____39_________________32_
| P | DPL | 0 | 1 | 0 | B | 1 | 基地址（23到16位） |
|_______________________________________________________|
31____________________________________________________16
| 基地址（15到0位） |
|_______________________________________________________|
16_____________________________________________________
| 长度（15到0位） |
|_______________________________________________________|
*********************************************************
图－3：通用描述符定义
63_______________56__55__54__53__52__51_____________48_
| 基地址（31到24位） | G |D/B| X | U | 长度（19到16位） |
|_______________________________________________________|
_47__46__45__44____41______40____39_________________32_
| P | DPL | 类型 | A | 基地址（23到16位） |
|_______________________________________________________|
31____________________________________________________16
| 基地址（15到0位） |
|_______________________________________________________|
16_____________________________________________________
| 长度（15到0位） |
|_______________________________________________________|
我们现在来比较一下通用描述符和TSS描述符，在TSS描述符中，我们看到D位（数据还是代码段）和X位（未使用）都被置为0，而且AVL位有效。类型type是010B，第41位，及B位是TSS描述符的忙标识，因为一个进程只能有一个TSS，所以当进程执行时，B位将被设置，表示这个TSS正在被使用，除了进程调度外，不能再使用它了。A位被置为1，即便A位被置为可写，TSS也不能被进程读或写。TSS的其他域和通用描述符一样，只是要注意一点：就是TSS的长度界限至少要有104字节。另外需要注意的是，skelix暂时不支持fpu，mmx和sse，如果读者想扩展的话需要注意每个进程都有自己的fpu，sse环境。
在本课中，TSS描述符的DPL将被置为0，所以只有内核可以进程任务切换。和GDTR和LDTR一样，TSS描述符也有自己的用于切换任务的寄存器，就是TR。可以用LTR指令来加载这个寄存器。GDT中的TSS描述符不能被加载到任何其他寄存器，否则会发生一个异常。
切换任务有多种方法，我们的做法是使用jmp指令跳转到TSS描述符。（还有其他方法，如从中断返回，使用任务门（起始也相当于jmp到TSS上））。赵博的linux内核完全剖析上讲到了切换任务的几种方法，并详细讨论了，不清楚的同学可以购买该书。
在切换任务时，CPU首先保存当前进程的上下文环境到当前TSS中，然后加载新任务的TSS到TR寄存器中，然后从新任务的TSS中加载上下文到寄存器中，最后跳转到新任务的第一条指令并开始执行。不知道这样有没有说清楚，这个是比较关键的地方，欢迎和我讨论：jinglexy at yahoo dot com dot cn（MSN）。
OK，让程序来说明一起吧。先看看TSS数据结构的定义：
06/include/task.h
struct TSS_STRUCT {
int back_link;
int esp0, ss0;
int esp1, ss1;
int esp2, ss2;
int cr3;
int eip;
int eflags;
int eax,ecx,edx,ebx;
int esp, ebp;
int esi, edi;
int es, cs, ss, ds, fs, gs;
int ldt;
int trace_bitmap;
};
没有pad的数据结构是104字节，如果你使用或模拟 IA64 平台的话，就需要查找相关的资料了。
对于一个正在运行的OS，上面的信息显然是不够的，所有我定义了另外一个包装TSS的数据结构，
即进程信息（process control block），以后简称为pcb：
#define TS_RUNNING 0 // 任务的三种状态
#define TS_RUNABLE 1
#define TS_STOPPED 2
struct TASK_STRUCT { // pcb定义
struct TSS_STRUCT tss;
unsigned long long tss_entry; // tss描述符在gdt中的8字节入口项
unsigned long long ldt[2];
unsigned long long ldt_entry;
int state;
int priority;
struct TASK_STRUCT *next;
};
#define DEFAULT_LDT_CODE 0x00cffa000000ffffULL
#define DEFAULT_LDT_DATA 0x00cff2000000ffffULL
#define INITIAL_PRIO 200
priority 表示任务优先级，新建任务默认的优先级是下面的 INITIAL_PRIO。skelix内核中所有的任务都用一个单向链表来表示，这样做起来比较简单。我们现在来看一个任务的例子，就是任务0：内核初始化完成后，就执行任务0。
06/task.c
static unsigned long TASK0_STACK[256] = {0xf};
上面数据是任务0在特权级0下使用的堆栈，0xf值如果不设置的话，这块内存就会发生一些错误，我也不清楚是为什么，所以第一个元素随便给了一个非0值。
struct TASK_STRUCT TASK0 = {
/* tss */
{
0,
/* esp0 ss0 */
(unsigned)&TASK0_STACK+sizeof TASK0_STACK, DATA_SEL,
上面定义会使任务的esp0执行栈底，使用内核数据段选择子就可以了
/* esp1 ss1 esp2 ss2 */
0, 0, 0, 0,
/* cr3 */
0,
/* eip eflags */
0, 0,
/* eax ecx edx ebx */
0, 0, 0, 0,
/* esp ebp */
0, 0,
/* esi edi */
0, 0,
/* es cs ds */
USER_DATA_SEL, USER_CODE_SEL, USER_DATA_SEL,
/* ss fs gs */
USER_DATA_SEL, USER_DATA_SEL, USER_DATA_SEL,
/* ldt：见后面说明 */
0x20,
/* trace_bitmap */
0x00000000},
/* tss_entry */
0,
/* ldt[2] */
{DEFAULT_LDT_CODE, DEFAULT_LDT_DATA},
/* ldt_entry */
0,
/* state */
TS_RUNNING,
/* priority */
INITIAL_PRIO,
/* next */
0,
};
现在，我们定义了一个TSS，再在GDT中加入描述符索引：
06/bootsect.s
gdt:
.quad 0x0000000000000000 # null descriptor
.quad 0x00cf 9a 000000ffff # cs
.quad 0x00cf92000000ffff # ds
.quad 0x0000000000000000 # reserved for further use
.quad 0x0000000000000000 # reserved for further use
第四项（0x3）用于存放该任务的TSS，所以定义了一个宏： CURR_TASK_TSS = 3来索引GDT中的这个TSS。当任务释放控制权后，会加载自己的TSS描述符索引到pcb的tss_entry域。不管多少任务，都可以只使用两个描述符，切换任务前更新GDT中的描述符即可。由于GDT有长度限制，只能存放8096个描述符，linux操作系统限制了任务的数量，我不知道为什么要这样做，因为突破进程数限制看起来如此的简单。
06/task.c
unsigned long long set_tss(unsigned long long tss) { // 参数为tss在内存中的地址
unsigned long long __tss_entry = 0x0080890000000067ULL;
__tss_entry |= ((tss)<<16) & 0xffffff0000ULL; // 基地址低24位
__tss_entry |= ((tss)<<32) & 0xff00 0000 0000 0000ULL; // 基地址高8位
return gdt[CURR_TASK_TSS] = __tss_entry;
}
这个函数产生TSS描述符，并存放它到GDT中，可以看到，描述符的DPL设置为0，所以只有内核可以用这个描述符。
属性0080，8900，0000，0067分析：0x67是长度103（从0开始计算，即长104），89即p位为1，dpl位为0，b位为1，80是粒度G位为1
unsigned long long get_tss(void) {
return gdt[CURR_TASK_TSS];
}
LDT
我们看了这么多关于GDT和LDT的代码后，LDT非常容易理解了。它和GDT差不多，区别是具有局部特性，每个任务都可以有自己的LDT，我们在skelix内核中为每个任务在LDT中设置两个描述符项，第一项是代码段，第二项是数据段和堆栈段，描述符选择子格式如下：
图－4
15______________________________3___2____1___0__
| Index | TI | RPL |
|_______________________________________________|
我们设置所有任务的特权级为3，即RPL ＝ 11b，且TI ＝ 1（表示使用LDT而不是GDT），和GDT不同的是，LDT的第一项可以使用而不是保留，所以代码段的选择子为0x7，而数据段和堆栈段选择子为0xf。
TSS数据结构中，有一个LDT域，保存的是GDT表中的描述符。听起来可能昏菜，我们现在来搞明白她。首先，每个进程都有自己的LDT表，而且这个表可以在内存的任何地方（暂时不考虑虚拟内存），所以需要一个描述符来索引这个内存地址（即LDT表），这个描述符就放在GDT中，并且在TSS中存放一份该描述符的选择子。
画个图来说明好了：
图－5
________________ ________________
| TASK | | GDT |
|________________| | |
| TSS __________|/ 选择子存于此 |________________|
| | LDT field|--------------------------| 描述符 |
| ----------|\ /|________________|
|________________| / | |
| | / | |
| | 描述符索引该 LDT / | |
| | ------------- | |
| | / |________________|
| | /
| | /
| | /
| | /
| | /
| | /
|________________| /
| LDT |/
|________________|
|________________|
GDT中的第三项用于任务TSS，第四项用于任务LDT。通过选择子0x18和0x20分包可以索引到它们。和设置TSS一样，对应也写有两个LDT操作的函数。
06/task.c
unsigned long long
set_ldt(unsigned long long ldt) {
unsigned long long ldt_entry = 0x008082000000000fULL; // DPL 是3而不是0
ldt_entry |= ((ldt)<<16) & 0xffffff0000ULL;
ldt_entry |= ((ldt)<<32) & 0xff00000000000000ULL;
return gdt[CURR_TASK_LDT] = ldt_entry;
}
unsigned long long
get_ldt(void) {
return gdt[CURR_TASK_LDT];
}
现在，我们将设置所有任务使用相同的LDT，这些任务共享相同的内存空间。如果你要设计字节的OS，这不会是个好主意。但是后面会为这些任务通过虚拟内存机制来设置不同的内存空间，后续课程会讲到。
06/include/task.h
#define DEFAULT_LDT_CODE 0x00cffa000000ffffULL
#define DEFAULT_LDT_DATA 0x00cff2000000ffffULL
上面就是任务的LDT描述符定义，注意DPL（descriptor priority level）值为3。
上面已经提到，所有任务使用一个单向链表连接起来，其中有两个重要指针：一个是任务0（TASK0）的next指针，它是所有任务链表的头指针；另一个是current指针，指向当前正在运行的任务。
创建任务并调度
首先，我们定义有：
06/task.c
struct TASK_STRUCT *current = &TASK0;
现在我们来看看新任务是如何创建的：
06/init.c
static void
new_task(struct TASK_STRUCT *task, unsigned int eip,
unsigned int stack0, unsigned int stack3) {
// 这个函数有4个参数：第一个参数是任务数据结构的内存地址
// 第二个参数是任务入口地址
// 第三个和第四个参数是0环和3环特权级下堆栈地址
// 由于堆栈地址的描述符选择子是固定的，所以就不用传进来了
memcpy(task, &TASK0, sizeof(struct TASK_STRUCT)); // TASK0 作为任务模板
task->tss.esp0 = stack0;
task->tss.eip = eip;
task->tss.eflags = 0x3202; // 合适的状态标识
task->tss.esp = stack3;
task->priority = INITIAL_PRIO; // 新任务默认优先级
task->state = TS_STOPPED;
task->next = current->next;
current->next = task;
task->state = TS_RUNABLE;
}
extern void task1_run(void); // 任务入口函数
extern void task2_run(void);
static long task1_stack0[1024] = {0xf, };
static long task1_stack3[1024] = {0xf, };
static long task2_stack0[1024] = {0xf, };
static long task2_stack3[1024] = {0xf, };
// 因为没有内核中没有实现内存管理，所以固定设置一些任务和她们使用的堆栈。
// 任务0运行在内核态，任务1和任务2运行在ring3
void
init(void) {
char wheel[] = {'\\', '|', '/', '-'};
int i = 0;
struct TASK_STRUCT task1; // 移到全局定义较合适
struct TASK_STRUCT task2;
idt_install();
pic_install();
kb_install();
timer_install(100);
set_tss((unsigned long long)&TASK0.tss); // 让任务0先跑起来
set_ldt((unsigned long long)&TASK0.ldt);
__asm__ ("ltrw %%ax\n\t"::"a"(TSS_SEL)); // 加载任务0使用的TR和LDTR寄存器
__asm__ ("lldt %%ax\n\t"::"a"(LDT_SEL)); // 使用ltrw和lldt指令
sti(); // 从现在开始捕获中断或异常
new_task(&task1, // 注意：创建任务时，中断是使能的
(unsigned int)task1_run,
(unsigned int)task1_stack0+sizeof task1_stack0,
(unsigned int)task1_stack3+sizeof task1_stack3);
new_task(&task2,
(unsigned int)task2_run,
(unsigned int)task2_stack0+sizeof task2_stack0,
(unsigned int)task1_stack3+sizeof task2_stack3);
__asm__ ("movl %%esp,%%eax\n\t" \
"pushl %%ecx\n\t" \ // 任务0内核栈ss
"pushl %%eax\n\t" \ // 任务0内核栈esp0
"pushfl\n\t" \ // eflags
"pushl %%ebx\n\t" \ // 任务0代码段选择子cs
"pushl $ 1f \n\t" \ // 任务0函数地址eip：就是下面第2行汇编
"iret\n" \
"1:\tmovw %%cx,%%ds\n\t" \
"movw %%cx,%%es\n\t" \
"movw %%cx,%%fs\n\t" \
"movw %%cx,%%gs" \
::"b"(USER_CODE_SEL),"c"(USER_DATA_SEL));
// 注意：现在开始内核运行在任务0上了,通过iret指令长跳转到任务0上
// （先加载正确的EIP，CS，SS，ESP，图如下：）
+--------------------+
| LDT stack selector |
+--------------------+
| ESP |
+--------------------+
| EFLAGS |
+--------------------+
| LDT code selector |
+--------------------+
| EIP |
+--------------------+
for (;;) {
__asm__ ("movb %%al, 0xb8000+160*24"::"a"(wheel[i]));
if (i == sizeof wheel)
i = 0;
else
++i;
}
}
现在，任务已经有了，万事具备只欠东风了，下面加入时钟中断代码进行任务调度。
06/timer.c
void do_timer(void) { // 时钟中断处理函数
struct TASK_STRUCT *v = &TASK0;
int x, y;
++timer_ticks;
get_cursor(&x, &y);
set_cursor(71, 24);
kprintf(KPL_DUMP, "%x", timer_ticks);
set_cursor(x, y);
outb(0x20, 0x20);
cli();
for (; v; v=v->next) { // 遍历链表，调整任务优先级
if (v->state == TS_RUNNING) {
if ((v->priority+=30) <= 0)
v->priority = 0xffffffff;
} else
v->priority -= 10; // 值越低，优先级越高（等待的任务优先级会变高）
// *nix内核通常这样做：较小的值优先级较高
}
if (! (timer_ticks%1))
scheduler();
sti();
}
调度函数实现：
06/task.c
void scheduler(void) {
struct TASK_STRUCT *v = &TASK0, *tmp = 0;
int cp = current->priority;
for (; v; v = v->next) {
if ((v->state==TS_RUNABLE) && (cp>v->priority)) {
tmp = v;
cp = v->priority;
}
} // 遍历链表，找寻优先级最高的任务（即值最小的任务）
if (tmp && (tmp!=current)) { // tmp是遍历的结果
current->tss_entry = get_tss(); // 置TSS 和 LDT描述符
current->ldt_entry = get_ldt();
tmp->tss_entry = set_tss((unsigned long long)((unsigned int)&tmp->tss));
tmp->ldt_entry = set_ldt((unsigned long long)((unsigned int)&tmp->ldt));
current->state = TS_RUNABLE;
tmp->state = TS_RUNNING;
current = tmp;
__asm__ __volatile__("ljmp $" TSS_SEL_STR ", $0\n\t");
// skelix通过长跳转到TSS描述符上（偏移应为0）切换任务
}
}
下面是任务 A & B
06/isr.s
task1_run:
call do_task1
jmp task1_run
task2_run:
call do_task2
jmp task2_run
这里使用汇编而不是c语言来写这两个任务的入口函数的原因，
是不想在跳转前后改变内核栈。
我们现在看看能不能在任务1和任务2中使用kprintf：
06/init.c
void
do_task1(void) {
unsigned int cs;
__asm__ ("movl %%cs, %%eax":"=a"(cs));
kprintf(KPL_DUMP, "%x", cs);
for (;;)
;
}
void
do_task2(void) {
unsigned int cs;
__asm__ ("movl %%cs, %%eax":"=a"(cs));
kprintf(KPL_PANIC, "%x", cs);
for (;;)
;
}
修改Makefile 中的 KERNEL_OBJS：
06/MakefileKERNEL_OBJS= load.o init.o isr.o timer.o libcc.o scr.o kb.o task.o kprintf.o exceptions.o
编译，运行一把。截图就不贴出来了（结果是看不到任务1和任务2的打印：ring3任务当然不能使用ring0函数）
ok，现在改一下这两个任务函数：
06/init.cvoid
do_task1(void) {
print_c('A', BLUE, WHITE);
}
void
do_task2(void) {
print_c('B', GRAY, BROWN);
}
编译，运行，正是我们想要的结果。