[自制作業系統] 第13回 磨刀不誤砍柴工
2022-07-06 21:00:27
目錄
一、前景回顧
二、編寫makefile
三、實現Assert斷言
四、實現字串操作函數
五、測試
上一回我們詳細地講解了整個系統的中斷工作流程，整個中斷系統比較難的地方在於中斷的執行流程，我開始學的時候對這一塊也是比較模糊的，感覺不知從何入手。現在已經很清楚整個流程了，這裡可以給讀者一個建議，想象自己是CPU，當接收到中斷訊號後，根據中斷的處理流程去看程式碼，應該很快就能看懂程式碼，不要單獨去看某一塊程式碼，這樣代入性不強。這一回先暫停主線任務，先騰出手來把一些準備工作給完善了。
這裡為什麼要插入makefile呢？在前面的程式碼中，如果讀者都編譯執行過的話，會發現實在是太太太麻煩了！每一個檔案都要去編譯，最後再連結。所以這裡我們寫一個自己的makefile，只需要一鍵make就可以。直接上程式碼：
1 BUILD_DIR = ./build
2 PATH1 = project/kernel
3 PATH2 = project/lib/kernel
4 PATH3 = project/lib/user
5 PATH4 = project/userprog
6 PATH5 = project/lib
7 INCLUDE = -I $(PATH1) -I $(PATH2) -I $(PATH3) -I $(PATH4) -I $(PATH5)
8 SRC = $(wildcard $(PATH1)/*.c $(PATH2)/*.c $(PATH3)/*.c $(PATH4)/*.c $(PATH5)/*.c)
9 OBJ = $(patsubst %.c, $(BUILD_DIR)/%.o, $(notdir $(SRC))) $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/kernel.o
10
11 kernel.bin: $(OBJ)
12 ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o ./kernel.bin ./build/main.o ./build/print.o ./build/interrupt.o \
13 ./build/kernel.o ./build/timer.o ./build/init.o ./build/debug.o ./build/string.o
14
15 mbr.bin: mbr.S
16 nasm -I include/ mbr.S -o mbr.bin
17
18 loader.bin: loader.S
19 nasm -I include/ loader.S -o loader.bin
20
21 install: mbr.bin loader.bin
22 dd if=./mbr.bin of=./hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc
23 dd if=./loader.bin of=./hd60M.img bs=512 count=4 seek=2 conv=notrunc
24 dd if=./kernel.bin of=./hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
25 ./bin/bochs -f bochsrc.disk
26
27 #編譯print.S
28 $(BUILD_DIR)/print.o : ./project/lib/kernel/print.S
29 nasm -f elf -o $(BUILD_DIR)/print.o ./project/lib/kernel/print.S
30
31 #編譯kernel.S
32 $(BUILD_DIR)/kernel.o : ./project/kernel/kernel.S
33 nasm -f elf -o $(BUILD_DIR)/kernel.o ./project/kernel/kernel.S
34
35 #編譯四個目錄下的.c檔案為對應的.o檔案
36 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH1)/%.c
37 gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
38
39 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH2)/%.c
40 gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
41
42 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH3)/%.c
43 gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
44
45 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH4)/%.c
46 gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
47
48 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH5)/%.c
49 gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-stack-protector -fno-builtin $< -o $@
50
51 .PHONY:clean #防止 外面有clean檔案 阻止執行clean
52 clean:
53 -rm -rf $(BUILD_DIR)/*.o
我們新建了一個資料夾build，這個檔案以後專門用於存放編譯生成的.o檔案。這裡需要注意一個地方，因為考慮到ld連結的順序，被依賴的檔案應該放在前面。所以這裡需要手動新增連結的檔案。以後每新增一個.o檔案，我們都需要自己手動修改一下makefile。這也是無奈之舉。除了這個以外，我們以後只需要通過make就可以編譯連結所有檔案，通過make install命令就可以自動將生成的bin檔案拷貝進硬碟並且啟動系統。這個makefile我沒有抄書上的，是根據自己的理解來寫的。所以可能有些地方看起來很醜，不過能用就行了。
Assert斷言是什麼意思呢？我以前學習stm32的時候，有些時候看原始碼會有這種程式碼出現：
它就是一種Assert斷言，什麼意思呢？就是對傳進來的表示式進行判斷，如果為真就跳過，如果為假就報錯。就是起到一種debug的作用，好讓你知道當程式出錯後，是錯在哪個地方。在此之前，還需要完善一下interrupt.c和interrupt.h檔案，然後在project/kernel目錄下新建debug.c和debug.h檔案。一併如下：
1 #include "interrupt.h"
2 #include "stdint.h"
3 #include "global.h"
4 #include "io.h"
5 #include "print.h"
6
7 #define IDT_DESC_CNT 0x81 //目前支援的中斷數
8
9 #define PIC_M_CTRL 0x20 //主片的控制埠是0x20
10 #define PIC_M_DATA 0x21 //主片的資料埠是0x21
11 #define PIC_S_CTRL 0xa0 //從片的控制埠是0xa0
12 #define PIC_S_DATA 0xa1 //從片的資料埠是0xa1
13
14 #define EFLAGS_IF 0x00000200 //eflags暫存器的if位為1
15 #define GET_EFLAGS(EFLAGS_VAR) asm volatile("pushfl; popl %0" : "=g"(EFLAGS_VAR))
16
17 /*中斷門描述符結構體*/
18 struct gate_desc {
19 uint16_t func_offet_low_word;
20 uint16_t selector;
21 uint8_t dcount; //此項為雙字計數位段，是門描述符中的第4位元組
22 uint8_t attribute;
23 uint16_t func_offet_high_word;
24 };
25
26 /*定義IDT表*/
27 static struct gate_desc idt[IDT_DESC_CNT];
28 extern intr_handler intr_entry_table[IDT_DESC_CNT];
29
30 char *intr_name[IDT_DESC_CNT]; //用於儲存異常的名字
31 intr_handler idt_table[IDT_DESC_CNT]; //定義中斷處理程式陣列
32
33 /*通用的中斷處理常式，一般用在異常出現時的處理*/
34 static void general_intr_handler(uint8_t vec_nr)
35 {
36 if (vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f) {
37 return ;
38 }
39
40 /*將遊標置為0，從螢幕左上角清出一片列印異常資訊的區域，方便閱讀*/
41 set_cursor(0);
42 int cursor_pos = 0;
43 while (cursor_pos < 320) {
44 put_char(' ');
45 cursor_pos++;
46 }
47
48 set_cursor(0);
49 put_str("!!!!!!!!!!!exception message begin!!!!!!!!!");
50 set_cursor(88);
51 put_str(intr_name[vec_nr]);
52
53 //如果為pagefault，將缺失的地址列印出來並且懸停
54 if (vec_nr == 14) {
55 int page_fault_vaddr = 0;
56 asm volatile ("movl %%cr2, %0": "=r" (page_fault_vaddr)); //cr2存放造成pagefault的虛擬地址
57 put_str("\npage fault addr is: ");put_int(page_fault_vaddr);
58 }
59 put_str("!!!!!!!!!!!exception message end!!!!!!!!！!");
60 //能進入中斷處理程式就表示已經處於關中斷的情況下，不會出現程序排程的情況，因此下面的死迴圈可以一直執行
61 while (1);
62 }
63
64 /*完成一般中斷處理常式註冊及異常名稱註冊*/
65 static void exception_init(void)
66 {
67 int i;
68 for (i = 0; i < IDT_DESC_CNT; i++) {
69 idt_table[i] = general_intr_handler;
70 intr_name[i] = "unknow";
71 }
72 intr_name[0] = "#DE Divide Error";
73 intr_name[1] = "#DB Debug Exception";
74 intr_name[2] = "NMI Interrupt";
75 intr_name[3] = "#BP Breakpoint Exception";
76 intr_name[4] = "#OF Overflow Exception";
77 intr_name[5] = "#BR BOUND Range Exceeded Exception";
78 intr_name[6] = "#UD Invalid Opcode Exception";
79 intr_name[7] = "#NM Device Not Available Exception";
80 intr_name[8] = "#DF Double Fault Exception";
81 intr_name[9] = "Coprocessor Segment Overrun";
82 intr_name[10] = "#TS Invalid TSS Exception";
83 intr_name[11] = "#NP Segment Not Present";
84 intr_name[12] = "#SS Stack Fault Exception";
85 intr_name[13] = "#GP General Protection Exception";
86 intr_name[14] = "#PF Page-Fault Exception";
87 // intr_name[15] 第15項是intel保留項，未使用
88 intr_name[16] = "#MF x87 FPU Floating-Point Error";
89 intr_name[17] = "#AC Alignment Check Exception";
90 intr_name[18] = "#MC Machine-Check Exception";
91 intr_name[19] = "#XF SIMD Floating-Point Exception";
92 }
93
94 /* 初始化可程式化中斷控制器8259A */
95 static void pic_init(void) {
96 /* 初始化主片 */
97 outb(PIC_M_CTRL, 0x11); // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
98 outb(PIC_M_DATA, 0x20); // ICW2: 起始中斷向量號為0x20,也就是IR[0-7] 為 0x20 ~ 0x27.
99 outb(PIC_M_DATA, 0x04); // ICW3: IR2接從片.
100 outb(PIC_M_DATA, 0x01); // ICW4: 8086模式, 正常EOI
101
102 /* 初始化從片 */
103 outb(PIC_S_CTRL, 0x11); // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
104 outb(PIC_S_DATA, 0x28); // ICW2: 起始中斷向量號為0x28,也就是IR[8-15] 為 0x28 ~ 0x2F.
105 outb(PIC_S_DATA, 0x02); // ICW3: 設定從片連線到主片的IR2引腳
106 outb(PIC_S_DATA, 0x01); // ICW4: 8086模式, 正常EOI
107
108 /*開啟鍵盤和時鐘中斷*/
109 outb(PIC_M_DATA, 0xfc);
110 outb(PIC_S_DATA, 0xff);
111
112 put_str("pic_init done\n");
113 }
114
115
116 /*建立中斷門描述符*/
117 static void make_idt_desc(struct gate_desc *p_gdesc, uint8_t attr, intr_handler function)
118 {
119 p_gdesc->func_offet_low_word = (uint32_t)function & 0x0000FFFF;
120 p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;
121 p_gdesc->dcount = 0;
122 p_gdesc->attribute = attr;
123 p_gdesc->func_offet_high_word = ((uint32_t)function & 0xFFFF0000) >> 16;
124 }
125
126 /*初始化中斷描述符表*/
127 static void idt_desc_init(void)
128 {
129 int i = 0;
130 for (i = 0; i <IDT_DESC_CNT; i++) {
131 make_idt_desc(&idt[i], IDT_DESC_ATTR_DPL0, intr_entry_table[i]);
132 }
133
134 /* 單獨處理系統呼叫，系統呼叫對應的中斷門dpl為3
135 中斷處理程式為單獨的syscall_handler */
136 //make_idt_desc(&idt[0x80], IDT_DESC_ATTR_DPL3, syscall_handler);
137 put_str("ide_desc_init done\n");
138 }
139
140 /*完成中斷有關的所有初始化工作*/
141 void idt_init(void)
142 {
143 put_str("idt_init start\n");
144 idt_desc_init();
145 exception_init();
146 pic_init();
147
148 /*載入idt*/
149 uint64_t idt_operand = (sizeof(idt) - 1) | ((uint64_t)(uint32_t)idt << 16);
150 asm volatile("lidt %0" : : "m"(idt_operand));
151 put_str("idt_init done\n");
152 }
153
154
155 /*在中斷處理程式陣列第vector_no個元素中註冊安裝中斷處理程式*/
156 void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function)
157 {
158 idt_table[vector_no] = function;
159 }
160
161
162 /*開中斷，並且返回開中斷前的狀態*/
163 enum intr_status intr_enable(void)
164 {
165 enum intr_status old_status;
166 if (INTR_ON == intr_get_status()) {
167 old_status = INTR_ON;
168 return old_status;
169 } else {
170 old_status = INTR_OFF;
171 asm volatile("sti"); //開中斷
172 return old_status;
173 }
174 }
175
176 /*關中斷，並且返回關中斷前的狀態*/
177 enum intr_status intr_disable(void)
178 {
179 enum intr_status old_status;
180 if (INTR_ON == intr_get_status()) {
181 old_status = INTR_ON;
182 asm volatile("cli": : : "memory");
183 return old_status;
184 } else {
185 old_status = INTR_OFF;
186 return old_status;
187 }
188 }
189
190 /*將中斷狀態設定為status*/
191 enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status)
192 {
193 return status & INTR_ON ? intr_enable() : intr_disable();
194 }
195
196 /*獲取當前中斷狀態*/
197 enum intr_status intr_get_status(void)
198 {
199 uint32_t eflags = 0;
200 GET_EFLAGS(eflags);
201 return (EFLAGS_IF & eflags) ? INTR_ON : INTR_OFF;
202 }
#ifndef __KERNEL_INTERRUPT_H
#define __KERNEL_INTERRUPT_H
#include "stdint.h"
/*定義中斷的兩種狀態
*INTR_OFF為0，表示關中斷
*INTR_ON為1，表示開中斷
*/
enum intr_status {
INTR_OFF, //中斷關閉
INTR_ON //中斷開啟
};
typedef void* intr_handler;
void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function);
enum intr_status intr_enable(void);
enum intr_status intr_disable(void);
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status);
enum intr_status intr_get_status(void);
void idt_init(void);
#endif
#include "debug.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
enum intr_status intr_disable(void);
void panic_spin(char *filename, int line, const char *func, const char *condition)
{
intr_disable();
put_str("\n\n\n!!!!! error !!!!!\n");
put_str("filename:");put_str(filename);put_str("\n");
put_str("line:0x");put_int(line);put_str("\n");
put_str("function:");put_str((char *)func);put_str("\n");
put_str("condition:");put_str((char *)condition);put_str("\n");
while(1);
}
#ifndef __KERNEL_DEBUG_H
#define __KERNEL_DEBUG_H
void panic_spin(char *filename, int line, const char *func, const char *condition);
#define PANIC(...) panic_spin(__FILE__, __LINE__, __func__, __VA_ARGS__)
#ifdef NDEBUG
#define ASSERT(...) ((void)0)
#else
#define ASSERT(CONDITION) \
if (CONDITION) {} else { \
PANIC(#CONDITION); \
}
#endif
#endif
這個沒什麼好說的，就是一些基本的字串操作函數，為方便後面的使用。在project/lib/kernel目錄下新建string.c和string.h檔案，程式碼如下：
1 #include "string.h"
2 #include "global.h"
3 #include "debug.h"
4
5 /*將dst_起始的size個位元組置為value*/
6 void memset(void *dst_, uint8_t value, uint32_t size)
7 {
8 ASSERT(dst_ != NULL);
9 uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
10 while (size-- > 0)
11 *dst++ = value;
12 }
13
14 /*將src_起始的size個位元組複製到dst_*/
15 void memcpy(void *dst_, const void *src_, uint32_t size)
16 {
17 ASSERT((dst_ != NULL) && (src_ != NULL));
18 uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
19 const uint8_t *src = (const uint8_t *)src_;
20 while (size-- > 0)
21 *dst++ = *src++;
22 }
23
24 /*連續比較以地址a_和地址b_開頭的size個位元組，若相等則返回0，若a_大於b_，返回+1，否則返回-1*/
25 int memcmp(const void *a_, const void *b_, uint32_t size)
26 {
27 ASSERT((a_ != NULL) && (b_ != NULL));
28 const char *a = (const char *)a_;
29 const char *b = (const char *)b_;
30 while (size-- > 0) {
31 if (*a != *b)
32 return (*a > *b) ? 1 : -1;
33 a++;
34 b++;
35 }
36 return 0;
37 }
38
39 /*將字串從src_複製到dst_*/
40 char *strcpy(char *dst_, const char *src_)
41 {
42 ASSERT((dst_ != NULL) && (src_ != NULL));
43 uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
44 const uint8_t *src = (const uint8_t *)src_;
45 while((*dst++ = *src++)); //先將*src++賦值給*dst++，再判斷*dst++是否為0
46 return dst;
47 }
48
49 /*返回字串長度*/
50 uint32_t strlen(const char *str)
51 {
52 const char *p = str;
53 while (*p++);
54 return (p - str - 1);
55 }
56
57 /*比較兩個字串，若a_中的字元大於b_中的字元返回1，相等返回0，否則返回-1*/
58 int8_t strcmp(const void *a_, const void *b_)
59 {
60 ASSERT((a_ != NULL) && (b_ != NULL));
61 const char *a = (const char *)a_;
62 const char *b = (const char *)b_;
63 if ((*a != 0) && (*a == *b)) {
64 a++;
65 b++;
66 }
67 return (*a < *b) ? -1 : *a > *b; //這裡的*a > *b，如果滿足就是1，否則就是0，很巧妙
68 }
69
70 /*從左往右查詢字串str首次出現字元ch的地址*/
71 char *strchr(const char *str, const uint8_t ch)
72 {
73 ASSERT(str != NULL);
74 while (*str != 0) {
75 if (*str == ch)
76 return (char *)str;
77 str++;
78 }
79 return NULL;
80 }
#ifndef __LIB_STRING_H
#define __LIB_STRING_H
#include "stdint.h"
void memset(void *dst_, uint8_t value, uint32_t size);
void memcpy(void *dst_, const void *src_, uint32_t size);
int memcmp(const void *a_, const void *b_, uint32_t size);
char *strcpy(char *dst_, const char *src_);
uint32_t strlen(const char *str);
int8_t strcmp(const void *a_, const void *b_);
char *strchr(const char *str, const uint8_t ch);
#endif
最後我們來測試一下前面的ASSERT函數的功能。修改main函數如下，不要忘記還要在makefile中增加debug.o和string.o。
#include "print.h"
#include "init.h"
#include "debug.h"
int main(void)
{
put_str("HELLO KERNEL\n");
init_all();
ASSERT(1==2);
while(1);
}
最終執行結果如下，也就說明我們的ASSERT函數成功。
本回的內容就到此結束了，下一回合我們開始步入記憶體管理系統。欲知後事如何，請看下回分解。