摘要：描述了一個簡單多任務(wù)內(nèi)核的設(shè)計和實現(xiàn)方法。分析了該簡單內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)和加載運行的基本原理，然后描述了其被加載進(jìn)機(jī)器RAM中以及兩個任務(wù)進(jìn)行切換的運行方法。

0 引言

當(dāng)提到多任務(wù)時，人們便會聯(lián)想到Mac OS、Linux、Windows等操作系統(tǒng)。通常情況下，若在操作系統(tǒng)下運行多任務(wù)，是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和調(diào)度各個任務(wù)的。本文通過分析一個簡單的多任務(wù)內(nèi)核，能夠便于更容易地理解操作系統(tǒng)的任務(wù)管理機(jī)制，以及可以理解計算機(jī)系統(tǒng)是如何啟動的。

1 多任務(wù)程序的結(jié)構(gòu)

本文實現(xiàn)的簡單多任務(wù)內(nèi)核，主要由兩個文件構(gòu)成：一個是使用as86語言編制的引導(dǎo)啟動程序，主要用于在計算機(jī)系統(tǒng)加電時，將內(nèi)核代碼從啟動盤加載到內(nèi)存中;另一個便是使用GNU as匯編語言編寫的內(nèi)核程序，其中實現(xiàn)兩個運行在特權(quán)級2上的任務(wù)可在時鐘中斷控制下相互切換運行，并可通過系統(tǒng)調(diào)用在屏幕上實現(xiàn)字符顯示。

2 多任務(wù)內(nèi)核工作的啟動程序原理

計算機(jī)系統(tǒng)加電啟動后，會把啟動程序從啟動盤的第一個扇區(qū)加載到物理內(nèi)存0x7c00位置開始處，之后把執(zhí)行權(quán)交給0x7c00初開始運行啟動程序。

啟動程序的主要功能是將軟盤或者鏡像文件中的內(nèi)核程序加載到內(nèi)存的某個指定位置，實現(xiàn)這個目的的方法是利用ROS BIOS中斷int 0x 13，把軟盤或者鏡像中的內(nèi)核代碼讀入到內(nèi)存，然后再把這段內(nèi)核代碼移動到內(nèi)存0開始處。最后設(shè)置控制寄存器CR0中的開啟保護(hù)運行模式標(biāo)志，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存0處開始執(zhí)行內(nèi)核代碼。啟動程序在內(nèi)存中移動內(nèi)核代碼的示意圖如圖1所示。

將內(nèi)核代碼移動到物理內(nèi)存0開始處的主要原因是這是GDT表時可以簡單一點。但是，不能讓啟動程序把內(nèi)核代碼從軟盤或映像文件中直接加載到內(nèi)存0處，因為加載操作需要ROM BIOS提供中斷過程，而BIOS使用的中斷向量表正處于內(nèi)存0開始處。若直接把內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存0處，那么，BIOS中斷過程將不能正常運行。

3 內(nèi)核程序

3.1 初始化任務(wù)

內(nèi)核程序運行在32位保護(hù)模式下，初始化階段主要包括重新設(shè)置GDT表，設(shè)置系統(tǒng)定時器芯片，重新設(shè)置IDT表并且設(shè)置時鐘和系統(tǒng)調(diào)用中斷門。內(nèi)核示例中所有代碼和數(shù)據(jù)段都對應(yīng)到物理內(nèi)存同一個區(qū)域上，即從物理內(nèi)存0開始的區(qū)域。在虛擬地址空間中內(nèi)核程序的內(nèi)核代碼和任務(wù)代碼分配圖如圖2所示。

3.2 啟動第一個任務(wù)

特權(quán)級0的代碼不能直接把控制權(quán)轉(zhuǎn)移到特權(quán)級2的代碼中執(zhí)行，但可以使用中斷返回操作來實現(xiàn)，因此當(dāng)初始化GDT、IDT和定時芯片結(jié)束后，就利用中斷返回指令I(lǐng)RET來啟動第一個任務(wù)。

具體的實現(xiàn)方法是在初始堆棧init stack中人工設(shè)置一個返回環(huán)境，即把任務(wù)0的TSS段選擇符加載到任務(wù)寄存器TR中，LDT段選擇符加載到LDTR中以后，把任務(wù)0的用戶棧指針和代碼指針以及標(biāo)志寄存器值壓入棧中，然后執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET。該指令會彈出堆棧上的堆棧指針作為任務(wù)0用戶棧指針，恢復(fù)假設(shè)的任務(wù)0的標(biāo)志寄存器內(nèi)容，并且彈出棧中代碼指針放入CS：EIP寄存器中，從而開始執(zhí)行任務(wù)0的代碼，以完成從特權(quán)級0到特權(quán)級3代碼的控制轉(zhuǎn)移。

3.3 兩個任務(wù)的切換

內(nèi)核程序?qū)⒍〞r器芯片的通道0設(shè)置成每經(jīng)過10 ms就向中斷控制芯片發(fā)送一個時鐘中斷請求信號，這樣，每個10 ms將會切換運行的任務(wù)。PC的ROM BIOS開機(jī)時已經(jīng)在定時器芯片中把時鐘中斷請求信號設(shè)置成中斷向量8，因此需要在中斷8的處理過程中執(zhí)行任務(wù)切換操作。

每個任務(wù)在執(zhí)行時，會首先把一個字符的ASCII碼放入寄存器AL中，然后調(diào)用系統(tǒng)中斷int 0x80，而該系統(tǒng)調(diào)用處理過程會調(diào)用一個簡單的字符寫屏子程序。在顯示過一個字符后，任務(wù)代碼會使用循環(huán)語句延遲一段時間，然后又跳轉(zhuǎn)到任務(wù)代碼開始處繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行，直到運行了10 ms而發(fā)生了定時中斷，從而代碼會切換到另一個任務(wù)去運行。

目前，該內(nèi)核示例已經(jīng)在Bochs模擬軟件中運行測試過，測試結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)語

本文分析了一個基于X86平臺的簡單多任務(wù)內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)和加載運行原理，描述了其被加載進(jìn)機(jī)器RAM中的基本思路，同時給出了兩個任務(wù)進(jìn)行切換的運行方法。其主要目的是理解操作系統(tǒng)的啟動加載過程。

附：本文的啟動代碼及內(nèi)核代碼如下：

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