NJU-OS-lab0(1)--初始化工作
哈哈，终于开始写操作系统实验啦，简直就是心魔了，看我这次怎么打败这个大boss！
主程序
首先从os-lab/src/main.c这里开始吧，看看主程序做了些什么。
void game_init()
{
init_serial();
init_timer();
init_idt();
init_intr();
set_timer_intr_handler(timer_event);
set_keyboard_intr_handler(keyboard_event);
printk("game start!\n");
enable_interrupt();
main_loop();
assert(0);
}
串行接口
第一句话就是初始化串行串口，它在os-lab0/include/game.h中定义，在os-lab0/src/device/serial.c中实现
微信计算机主机与外部设备连接，基本使用了两类接口：串行接口serial port和并行接口parallel port。
并行接口是指数据的各位同时进行传说，所以传输速度快，但是当传输距离较远，位数也多时，会使通信线路变复杂，成本也就提高了。
串行接口则是将数据一位位地顺序传送，所以通信线路简单，只需要一对传输线就可以实现双向通信，还可以使用电话线，使得成本大大降低。
内联汇编
in_byte和out_byte是对计算机硬件中的端口进行读写，所以需要用到内联汇编，相关可见。。。
in_byte便是从端口port处读入数据，out_byte则是将数据写入端口port处。
COM port
从代码中可以看出串行接口地址为0x3F8,why?还有接下来那些写端口的操作都是在干嘛呢？wiki中是这样介绍的
串行接口一般有4组COM(comunication) port,一般是使用前两组COM1和COM2，四组COM port的端口起始位置分别为：
| COM Port | IO Port |
|---|---|
| COM1 | 3F8h |
| COM2 | 2F8h |
| COM3 | 3E8h |
| COM4 | 2E8h |
偏移量可以从0~7，不同偏移量对应不同寄存器，对应关系如下：
| IO Port Offset | Setting of DLAB | Register mapped to this port |
|---|---|---|
| +0 | 0 | Data register. Reading this registers read from the Receive buffer. Writing to this register writes to the Transmit buffer. |
| +1 | 0 | Interrupt Enable Register. |
| +0 | 1 | With DLAB set to 1, this is the least significant byte of the divisor value for setting the baud rate. |
| +1 | 1 | With DLAB set to 1, this is the most significant byte of the divisor value. |
| +2 | - | Interrupt Identification and FIFO control registers |
| +3 | - | Line Control Register. The most significant bit of this register is the DLAB. |
| +4 | - | Modem Control Register. |
| +5 | - | Line Status Register. |
| +6 | - | Modem Status Register. |
| +7 | - | Scratch Register. |
偏移为0,1时，在DLAB不同情况下会分别对应两个不同的寄存器。
那DLAB是什么呢？
DLAB
上图中+3偏移量对应
线路控制寄存器(line control register)，它的最高位便是DLAB(Divisor Latch Access Bit)，除数锁存访问位，这是用来干什么的？
在说它用来干嘛之前，首先要介绍一下波特率。
波特率是计算机串口通信时的速率，即信号被调制以后单位时间内的变化。
比如比如1s传送200个字符，每个字符有10位，那么波特率便是200Bd(Baud)，比特率则是200*10bps = 2000 bps。
波特率描述了单位时间内设备接受或发送的码元个数，通过不同的调制方式（编码方式），比如在计算机通信中会用到各种不同的编码，那么对1byte大小的数据，可能得到2byte的编码数据，也可能得到10位的编码数据，而波特率并不关心每个码元的位数，而只是考虑码元个数。
串行控制器the serial controller(UART)在内部有有一个每秒滴答115200次的时候，为了控制系统的波特率，便引入a clock divisor，系统波特率便为115200/divisor Bd。
所以DLAB的引入便是为了设置这个divisor。
设置divisor的过程如下：
- 首先将Line Control Register的最高位设为1，也就是DLAB位设为1，这样offset = 0,1便分别指向了the divisor register的低8位和高8位。
- 将divisor的低字节（也就是低8位）信息写入到端口offset=0指向的寄存器
- 将divisor的高字节（也就是高8位）信息写入到端口offset=1指向的寄存器。
- 写完之后便将Line Control Register的DLAB位清0，这样offset = 0指向数据寄存器，offset = 1指回中断使能寄存器(Interrupt Enable Register)
那我们回过头来看代码：
#define SERIAL_PORT 0x3F8这里将端口基地址设为0x3F8，也就是使用COM1 port。
out_byte(SERIAL_PORT + 1, 0x00);因为offset = 1端口指向的是中断使能寄存器，所以清零便是关中断。
out_byte(SERIAL_PORT + 3, 0x80);这一句将Line Control Register的最高位也就是DLAB设为1，所以offset = 0,1端口便可以用来设置divisor，下面做的也正是如此。
out_byte(SERIAL_PORT + 0, 0x01); out_byte(SERIAL_PORT + 1, 0x00);将divisor设为1，所以波特率为115200Bd。
线性控制寄存器
out_byte(SERIAL_PORT + 3, 0x03);这一步设置线性控制寄存器。
线性控制寄存器可以控制好几部分内容
DLAB为最高位；
6~4位用于控制校验位，具体如下：
| Bit 5 | Bit 4 | Bit 3 | Parity |
|---|---|---|---|
| - | - | 0 | NONE |
| 0 | 0 | 1 | ODD |
| 0 | 1 | 1 | EVEN |
| 1 | 0 | 1 | MARK |
| 1 | 1 | 1 | SPACE |
最低两位用于设置字符长度，也即每个码元的长度：
| Bit 1 | Bit 0 | Character Length (bits) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 5 |
| 0 | 1 | 6 |
| 1 | 0 | 7 |
| 1 | 1 | 8 |
第3位用于设置终止位的位数。
| Bit 2 | Stop bits |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 1.5 / 2 (depending on character length) |
所以上面那句首先清空DLAB，设置校验位为无，终止位位数为1，字符长度则为8。
时钟初始化
串行接口初始完之后就轮到时钟了。
关于时钟的编程叫做Programmable Interval Timer(PIT，可编程时钟计时器)。
PIT芯片由一个oscillator振荡器，一个prescalar预分频器以及3个独立的frquency dividers分频器组成。
每一个分频器都有一个输出，用于控制外部电路(比如输出IRQ 0)。
oscillator
oscillator用于产生一个大致为1.193182MHz的频率。
Frequency Dividers
分频器的基本思路是用一个数去除oscillator产生的频率，这样便可以得到一个更低的频率。
所以这里便需要一个counter来做除数。
oscillator每一次产生脉冲信号，都会使得counter减1，当counter减为0时，便可以输出一个信号，并且counter重置为初值。
如果有一个200Hz的输入信号，counter设置为10，那么得到的输出信号频率便是20Hz啦。
PIT芯片中为frequency divider有一个16位寄存器，所以counter可以取值0~65535，因为0不能做除数，所以大多情况下都会用0来代替65536。
PIT芯片有3个单独的分频器，分别代表了3个不同的channels通道。
channel0直接与IRQ0相连，所以它是产生中断信号的最好选择哦。
channel1已经被淘汰啦，以后也没什么用。
channel与PC Speaker相连。
在启动BIOS的时候，channel0的分频器便被设为0(也就是65536)，如此便得到18.2065HZ的一个输出频率。
I/O Ports
PIT芯片使用如下的I/O端口：
I/O port Usage
0x40 Channel 0 data port (read/write)
0x41 Channel 1 data port
0x42 Channel 2 data port
0x43 Mode/Command register(write only, a read is ignored)
每一个8位数据端口都是一样的，用于设置counter的16位reload值，或是读取channel目前的16位counter值。
当channel的counter减为0时，此channel的输出边作出改变，接着counter被重置为reload value。
Mode/Command register
Bits Usage
6,7
select Channel
00 = channel0
01 = channel1
10 =channel2
11 Read-back Command
4,5 Access Mode
00 =Latch count value command
01 =lobyte only
10 =hibyte only
11 =lobyte/hibyte
1,2,3 Operating Mode
001
=hardware re-triggrable one-shot
010 =rate generator
011 =square wave generator
100 =softwae triggered strobe
101 =hardware trigger strobe
110 =same as 010
111 =same as 011
0 BCD/Binary Mode:0=16-bid binary,1=four-digit BSC
来看代码out_byte(TIMER_PORT, 0X34)
所以选择channel0，访问模式则为lobyte/hibyte，Operating Mode为rate generator, 16-bit binary。
因为数据端口是8位，而counter是16位，所以芯片就需要知道数据端口是读/写counter的高字节位还是低字节位。
“lobyte only"则只对低字节进行处理（低8位），”hibyte only“则是对counter的高字节位进行处理。
在"lobyte/hibyte"访问模式中，counter的16位被设定为，在8位的数据端口上，先访问低8位数据，紧接着访问高8位数据。
所以在代码中我们能看到先写低8位
out_byte(TIMER_PORT + 0, counter % 256);
再写高8位，
out_byte(IMTER_PORT + 0, counter / 256);
rate generator和square wave generator两种操作模式都可以用来生成IRQ定时器，一般情况下OS和BIOS都是采用Square wave generator模式，如果采用rate generator模式，则可以增加频率准确率。
IDT初始化
NR_IRQ在cpu.h中定义，为256。GateDescriptor在memory.h中定义。
首先看门描述符，它长度是8个字节，也就是64位，所以"offset_15_0 :16"也就表明offset_15_0长度为16位bits。
门描述符也就是一个段描述符，下面对Intel x86的分段存储结构进行一些说明，具体参考的是孙钟秀教授主编的操作系统教程中4.6节。
Intel x86的分段
Intel x86系列CPU有三种工作模式：实地址模式，保护模式以及虚拟8086模式。
在保护模式下，采用分段机制，可启用分页机制，所以有段式，页式，段页式三种虚拟存储管理模式。
Inel x86实现虚拟存储管理的核心便是内存中的两张描述符表GDT(Global Descriptor Table)以及LDT(Local Descriptor Table)。
每个进程都有它自己的LDT，用来描述这个进程的代码段，数据段，堆栈段以及扩充段等的基地址，段大小和有关控制信息。系统的所有进程则共享一个GDT，用于描述系统段，包括操作系统的段大小，段基址，相关控制信息以及所有进程共享的系统资源。
所有当发生进程切换的时候，LDT则更换为待运行进程的LDT，GDT则保持不变，分别用LDTR，GDTR两个寄存器保持LDT，GDT的基地址。
下面说一下段描述符是如何使用的：
现在物理地址都是2^32 = 4GB大小，而虚拟地址是48位，也就有2^48 = 64TB大小。
因为物理地址是32位长度，所以48位中的低32位为offset，高16位则为段选择符：
段选择符47:32 偏移量31:0
16位段选择符的结构如下：
index15:3 T:2 RPL1:0
T = 0时从GDT中选择描述符，T= 1时从LDT中选择描述符。
RPL是描述符请求的特权级，此处不管它，所以用于做下标的index有13位的。
那么LDT与GDT分别都有2^13 = 8192个存储器分段。
于是流程便是：
首先，将虚拟地址的高16位取出，放入机器的6个段寄存器之一，比如代码段选择符放入CS中，数据段选择符则放入DS中，堆栈段选择符放入SS中。
之后，根据段选择符的第3位T决定是从LDT还是GDT中查找段描述符。
接着根据段选择符的高13位index从段描述符表中取出对应的段描述符，然后从段描述符中得到32位段基址，与虚拟地址的32位偏移相加就得到了32位的线性地址。
假如不采用分页机制，那么此时就得到了物理地址。
一个段描述符构造如下：
struct Descriptro
{
//段限长一共20位
uint32_t limit_15_0 :16;
//段基址一共32位
uint32_t base_15_0 :16;
uint32_t base23_16 :8;
//访问位，=0未访问，=1已访问，用于淘汰页面
uint32_t A :1;
//段类型和保护方式，比如可执行代码段或是只读数据段
uint32_t TYPE :3;
//段内容标志，=1位代码或数据段，=0是系统段。
uint32_t S :1;
//描述符特权级0~3
uint32_t DPL :2;
//=1表示段包含有效基址和段界限，否则无定义
uint32_t P :1;
uint32_t limt_19_16 :4;
//用户编程可用位
uint32_t AVL :1;
//就是0
uint32_t zero :1;
//=1为32位代码段，=0为16位代码段
uint32_t D :1;
//=0表示以字节为单位，段长度则为2^20B，=1表示以页面为单位，一个页面4KB，所以段长为2^20 * 4KB = 4GB。
uint32_t G :1;
uint32_t base_31_24 :8;
};
在代码中实现的是中断门描述符和陷阱门描述符，关于门描述符还有调用门描述符，任务门描述符，暂且不提。
中断门描述符以及陷阱门描述符都存储在IDT中，IDT包含256个中断描述符，与中断，异常一一对应。
所以每个中断/异常都有一个在0~255的向量号，用于在IDT中的索引，其中0x80即128号是用于系统调用的。
下图来自 http://book.2cto.com/201310/34281.html ，比较形象地说明了根据中断向量号得到中断处理程序的过程。
首先48位寄存器IDTR中的高32位存储了IDT基址，低16位存储的是IDT大小。
根据IDT基址，加上向量号索引，得到了中断门描述符。
从中断门描述符中我们可以得到16位段选择器，放入CS寄存器，之后从GDT中得到段基址，之后加上32位偏移，便可以得到中断处理程序地址啦。
在idt.c中首先定义IDT表，门描述符与普通的段描述符之间的差别体现在：
1.type变为4位
2.没有段基址，有段选择符
所以下面对中断门的初始化，首先是偏移的设置，之后是选择符的设置，selector只有13位，向左偏移3位之后得到的T=0，说明是从GDT中找段基址，RPL则为0，是最大权限了。
pad0是8位0，没什么用的。
4位type设置为0xE。
system设置为false，因为不是系统段。
之后设置优先级权限privilege_level。
present表明这个描述符是有效的。
最后是偏移量的高16位设置。
陷阱门的初始化除了type不同，其它设置都一样啦。
之后我们看它对陷阱门以及中断门的初始化
我们回过头来看init_idt函数，
它首先将IDT中所有项都指向irq_empty()处理函数。
之后将0~13号异常分别指向vec0,...,vec13()处理函数。
接着设置32号中断处理函数为irq0()。
关于IDT中的向量号，0~31号对应异常或硬件非屏蔽中断，32~47对应硬件可屏蔽中断，48~255则分配给软件中断，0x80(128)用来实现系统调用。
关于段选择符selector的设置，我们看memory.h中的定义：
一共定义了3个段，内核代码段偏移为1，内核数据段偏移为2，
因为中断处理程序是放在代码段中，所以selector都设置为SEG_KERNAL_CODE。
优先级dpl则都设置为最高的DPL_KERNAL。
关于中断处理程序，在do_irq.S中定义，是汇编代码
.global告诉编译器后面跟的是全局变量或是全局函数，这里定义的便是全局函数啦。
pushl $0:将常量0压入栈顶，push指令的一般形式为[pushl S]，其中l代表数据格式为双字，S为源操作数，目的操作数默认为栈顶。
asm_do_irq如下：
pushal /*保存通用寄存器中的上下文环境*/
/*
在pushal指令中各寄存器的入栈顺序分别为：
%eax->%ecx->%edx->%ebx->%esp->%ebp->%esi->%edi
总共占用4*8=32字节
*/
/*
在pushal指令中各寄存器的入栈顺序分别为：
%eax->%ecx->%edx->%ebx->%esp->%ebp->%esi->%edi
总共占用4*8=32字节
*/
与pushal相似的还有pushfl,将flags寄存器的值放入栈顶。
这样经过pushl $0;pushal;一个TrapFrame就填充好了。
之后入栈下%esp，调用irq_handle，接着出栈%esp，所以在%esp上加4，因为栈指针是往下生长的，入栈的话，栈指针要减。
接着继续清栈，将通用寄存器出栈popal，最后就是中断向量号出栈，addl $4,%esp。然后就返回啦。
irq_handle根据传入的TrapFrame得到中断向量号tf->irq。注意啊，因为上面只有时钟中断irq0(向量号1000)被初始化了，所以我们按键盘时输出的tf->irq只会是-1，即用irq_empty来处理的。所以为了得到正确结果，这里我们是要自己将键盘输入中断也加进去的呀。
Intr初始化
最后一个啦，
暂时没找到相关资料，暂且不提这个啦。