作業系統學習筆記1 | 初識作業系統

本部分主要記錄了計算機開機過程中作業系統的工作流程，並以此理解作業系統的程式碼結構。

參考資料：

• 課程：哈工大作業系統（本筆記對應前三講）
• 實驗：作業系統原理與實踐_Linux - 藍橋雲課 (lanqiao.cn)
• 筆記：作業系統學習導引 · 語雀 (yuque.com)

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1. 什麼是作業系統

作業系統是計算機硬體和應用軟體之間的一層軟體，方便我們使用硬體（比如視訊記憶體）、高效地使用硬體（如開啟多個終端和視窗）：

管理的硬體：

• CPU管理、記憶體管理
• 終端管理、磁碟管理
• 檔案管理、網路管理
• 電源管理、多核管理

而組成一個作業系統最基本的是前五個。

學習作業系統可以有很多層次：

大部分人停留在第一層，即使用作業系統的介面。而計算機專業學生應當能夠掌控計算機系統，真正理解作業系統的工作原理。

2. 計算機工作原理

探討一個問題。開啟計算機電源後，計算機的開機過程中發生了什麼？

這也是實驗一的內容。

要了解這個問題，首先要了解計算機的工作原理。

計算機是如何工作的？

首先是 圖靈機。之前做過記錄：計算機系統3-> 現代計算機基石 | 圖靈機理論 - climerecho - 部落格園 (cnblogs.com)

但是這樣的圖靈機還是太菜啦，一個圖靈機只能做特定的一件事（因為控制邏輯是寫死了的）

而 通用圖靈機 可以看碟下菜，成為大廚。紙帶上對控制器的控制邏輯進行編碼，而控制器識別這樣的編碼，就能夠完成我們需要執行的操作。

通用圖靈機的功能就已經很像一個應用程式（程式）了。

接下來的馮諾依曼 儲存程式 思想，將程式存入記憶體，按照需求將程式載入CPU（上圖中的控制器）進行解釋執行。

經典的 「取值執行」。

這樣一個計算機就算搭建完成了，就像是大廚能夠按照客人需求選擇菜譜進行烹飪。

3. 開機過程理解

再回到開機過程的理解，計算機的工作歸結於 「取指執行」，而所有的程式（包括作業系統），在開機前都放在磁碟上，如何取指執行呢？

• 開啟電源，計算機執行的第一句指令是什麼？即第一條指令對應的PC暫存器裡的地址是多少？

以×86 PC 為例，

• 剛開機，會執行 BIOS 中的程式碼

  BIOS，ROM BIOS對映區，是Basic Input Output System 的縮寫。意思是計算機的記憶體裡總要有一個基本的輸入輸出程式，否則記憶體空白一片，就無法開啟馮諾依曼的"取值執行"。

• 而這段程式碼固化在 0xFFFF0 處

• 開機時，CS = 0xFFFF， IP= 0x0000

  和保護模式對應，真真實模式的定址CS:IP(CS左移4位元+IP)，這樣 CS << 4 + IP 就正好是 0xFFFF0，正是記憶體剛上電時唯一有程式碼的地方，接著進行取值執行。

• 這段程式碼主要用於 檢查 RAM，鍵盤，顯示器，軟硬磁碟

  如果這段程式碼過不去，表示硬體出問題了。

• 將磁碟0磁軌0磁區讀入記憶體0x7c00處

  1磁區 512位元組

  0磁軌0磁區就正是作業系統的引導磁區，這個磁區中存放作業系統的第一段程式碼

  開機時按住相關熱鍵（不同裝置不同）即可進入啟動裝置設定介面（俗稱BIOS介面），可以設定為光碟啟動，也可以從U盤等裝置進入某個作業系統。

  啟動時裝置資訊被設定在 CMOS 中，CMOS是互補金氧半導體64~128B，用來儲存實時鐘和硬體設定資訊。

• 設定 CS=0x07c0, ip=0x0000，進行真真實模式定址後跳到引導磁區的程式碼執行。

  引導磁區的程式碼做了什麼事情呢?

4. bootsect.s 程式碼理解

bootsect.s 就是上面所說的引導磁區的程式碼，是組合程式碼。

因為高階語言（如C）無法具體指定硬體，特別是記憶體位置；而組合則可以對硬體進行完整的控制。

這段程式碼經過組合後得到機器程式碼，放在引導磁區。

劃重點：所以bootsect.s的起始位置是0x7c00。後續理解會用到。

首先是固化的bootsect，需要把後續的程式碼引匯出來。

mov ax, #BOOTSEG 
mov ds, ax
# 將ds置為 07c0
mov ax, #INITSEG
mov es, ax
# 將es置為 9000
# 這是兩個段暫存器，還需要偏移才能定址
mov cx, #256

sub si, si 
sub di, di
# 加入偏移，偏移通過自減產生，為0
# 根據上面提到過的真真實模式的CS:IP定址
# 此時ds:si=7c00,es:di= 90000

rep movw
# rep：重複執行，直到cx=0
# 意思是移動字，一共移動256個字（cx處有說明，也正好是512位元組）
# movw： 將DS:SI內容複製到ES:DI中即從7c00
# DS和ES一個是源資料段暫存器，另一個是目的資料段暫存器
jmpi go, INITSEG
# 段間跳轉指令，cs=INITSEG,IP=go
# go是一個標記，替代一個具體的地址，編譯後就會分配到我們指定的地址
# 這一點具體計算機組成原理有提到過，但我還沒整理出來,就是從組合程式碼起始的地址，到這個標號處，標號標記了此處的地址。比如說到go這個標籤處，go是200地址
# INITSEG 上面提到過，是0x9000
# 這樣根據定址，90000+200
# bootsect.s現在就挪到了 900200，在這裡相當於順序向下執行。
# 但是必須寫這句話，因為程式碼在那個地方。

這段程式碼要決定接下來setup的讀入情況。

# 接下來的程式碼略講，看一些重點的
#
# 這段程式碼是用於讀入setup區的（分割區圖見上圖）
go:mov ax,cs  
   #cs是0x9000
   mov es,ax
   mov ss,ax
   mov sp, #0xff00
# 為call準備（具體後面會使用這一塊的內容）

load_setup:
	mov dx,#0x0000
	mov cx,#0x0002
	mov bx,#0x0200
	
	mov ax,#0x0200+SETUPLEN
	
	# 0x13是BIOS讀磁碟磁區的中斷：ah=0x02-讀磁碟，al=磁區數量(SETUPLEN=4) ch=柱面號，dh=磁頭號，dl=驅動器號，es:bx=記憶體地址
	
	int 0x13
	# 現在只是讀入了引導磁區用十三號中斷讀入作業系統其他的內容
	# 需要知道從哪裡讀：cl開始磁區，即mov cx,#0x0002，讀取cx的低8位元是2。
	# 理解一下，boot磁區佔了第1個磁區，所以從第2個磁區讀。
	# 需要知道讀多少磁區：ax，0x0200，高八位作為ah，低八位作為al
	# 所以是從第二個磁區開始讀4個磁區
	# 需要直到讀到哪裡，es:bx告知讀到哪裡
	# 從go標籤處得知，cs賦值給了ax,ax賦值給了es,cs是0x9000，而bx是0200
	# 所以基址是0x9000，偏移是0x0200.意思就是把setup的四個磁區讀進來
	jnc ok_load_setup
	mov dx,#0x0000
	mov ax,#0x0000
	int 0x13
	j load_setup

ok_load_setup:
	mov dl,#0x00
	mov ax,#0x0800
	
	int 0x13
	mov ch,#0x00
	mov sectors,cx
	
	mov ah,#0x03
	xor bh,bh
	int ox10
	# 這句是這段程式碼的關鍵，進行BIOS的10號中斷，是一個顯示字元的BIOS中斷，用於在螢幕上輸出。
	# 具體引數不再介紹，回頭單獨介紹吧。
	
	mov cx,#24
	# 顯示的字元數為24
	mov bx,#0x0007
	# 7是顯示屬性
	
	mov bp,#msg1
	#msg1是用於顯示的內容所在的記憶體地址,見下面的data段
	# 意思就是把下面的msg1段顯示到遊標位置
	# Windows開機時的logo就是這一段程式碼的作用（好看了一些）
	
	mov ax,#1301
	int 0x10
	
	mov ax,#SYSSEG
	mov es,ax
	call read_it
	# 讀入 system 模組
	jmpi 0,SETUPSEG
	# 轉入0x9020:0x0000,接下來執行setup.s

bootsect.s 中的data段/資料：

sectors: .word 0
msg1:.byte 13,10
     .asscii "Loading system"
     .byte 13,10,13,10
     
# 根據這一段就可以修改開機顯示的內容，比如改為:"CliviaOS is loading"
# 不過要記得修改顯示的字元長度，在上面的mov cx,#24的地方修改一下
# 修改之後這個系統重新編譯，再開機就可以看到更改效果

這也是實驗二的內容，回頭會把實驗二整理出來。

下面讀入 system 模組。

read_it: mov ax,es
		 cmp ax,#ENDSEG
		 #ENDSEG=SYSSEG+SYSSIZE，
		 #SYSSIZE=0x8000，這個變數可以根據image的大小設定（編譯作業系統的時候）
		 jb ok1_read
		 ret

ok1_read:
	mov ax,sectors
	sub ax,sread
	# sread是當前磁軌已讀磁區數，ax是未讀磁區數
	call read_track

• 值得注意的是，除了函數read_it，讀入 system 模組為什麼還要定義一個函數ok1_read？

  因為 system 模組可能很大，要跨越磁軌，所以要處理這個問題。

• 在引導磁區的末尾，BIOS需要這段程式碼識別引導磁區

  .org 510
  	.word oxAA55 
  #磁區的最後兩個位元組，否則會打出非引導裝置
  

• 接下來需要將控制權交給 setup.s，怎麼交接呢？

  使用跳轉，即修改PC；

  setup模組放在 0x90200 處，所以cs=9020，ip=0

  SETUPSEG在上面的圖中就正是9020

  這樣就實現了跳轉

  jmpi 0,SETUPSEG
  # ip=0,cs=SETUPSEG，
  

綜上，開機的圖示背後做了什麼事情，大概上理解一下：

• 打出Logo
• 把 setup 和system 區的程式碼讀進來。
• 一些別的事情...

5. bootsect.s 補充解釋

其實不同系統不同版本的bootsect.s都會有差別，所以上面的程式碼不必死記，但是這是我接觸到的與作業系統相關的第一段程式碼，所以認真整理了下。

摘自一些我覺得有用的彈幕。

可以參考《Linux核心完全註釋V3.0》203頁，有詳細註釋。

老師沒講但很重要的幾個點結合linux0.11 和教材解釋一下

1. 為什麼要從07c0 轉移到90000：因為如果不轉移，system 資料從10000-90000轉移到00000的時候會覆蓋07c0的程式，司令命令部隊把自己司令部給趟平了，所以提前搬走

   這一點看了視訊L3以及下面setup.s的程式碼理解就可以明白。

2. 為什麼system 資料要開始放在10000，因為bios 中斷程式在00000開始存放，把system從磁碟讀到記憶體之後的命令還是要用bios的中斷的，所以要移動

3. bios的終端每次啟動都會又BIO rom的程式初始化一次，不用擔心下次啟動的時候沒有

6. setup.s 程式碼理解

setup模組依然是setup.s組合程式碼，依然對啟動過程進行精細控制，相當於程式設計中的初始化，底層硬體的引數初始化作業系統。

6.1 初始化作業系統並移動

start:mov ax,#INITSEG
	  mov ds,ax
	  mov ah,#0x03
	  
	  xor bh,bh
	  int 0x10
	  mov [0],dx
	  
	  mov ah,#0x88
	  int 0x15
	  # 本段程式碼重點，是一個BIOS中斷，獲取實體記憶體的大小
	  # 使用#0x88作為引數，獲取的值放入ax中，ax 賦給 [2]
	  mov [2],ax
	  # 這是間接定址，段暫存器左移 4 位再 +2，即0x90002
	  # 而段暫存器現在指向9000
	  # 將 ax 中內容傳遞至記憶體地址 ds:[2] 處 即 0x90002 處, 
	  # ax 中儲存的值為呼叫 int15 中斷後獲取的擴充套件記憶體大小
	  # 作業系統是要管理記憶體的，所以有必要知道記憶體的大小。
	  # 這就是setup的意義，要讓作業系統知道計算機底層的模樣。
	  # 作業系統會形成很多資料結構來管理上圖表格中這些引數。
	  cli 
	  # 不允許中斷
	  
	  mov ax,#0x0000
	  cld

#########################重點提醒###########################
# 下面還是做一個移動
# 移動system模組到0x0000的位置，共計0x8000的地址空間，將來作業系統的程式碼將一直放在這個位置
# 此前 5.bootsect.s 補充解釋中提到的也是這裡
# 回顧前一小節中，bootsect程式碼首先會將自身從0x07c0:0x0000處移動到0x9000:0x0000處，接下來讀入的setup模組也緊跟在移動後的bootsect程式碼後，這麼做就是為了給此時將system放在0x0000~0x8000騰出空間

#########################重點提醒###########################


do_move:mov es,ax
		#ax=0,賦值給了es
		add ax,#0x1000
		cmp ax,#0x9000
		jz end_move
		mov ds,ax
		sub di,di
		sub si,si
		mov cx,#0x8000
		rep
		movsw
		jmp do_move
		
# 此後，記憶體從0開始的地址存放的都是作業系統，在此之上的是應用程式。	

擴充套件記憶體：

擴充套件記憶體是 ram 中高於 1MB 的部分。Intel 剛出來的時候是1MB，後來把大於這部分的記憶體都稱為擴充套件記憶體。

拓展閱讀：《Linux0.11核心剖析》，能夠對作業系統的全貌有所瞭解。

setup.s 到此做了兩件事，1 是把作業系統進行挪動，2 是初始化作業系統，使其能夠管理底層硬體。

6.2 進入保護模式

接下來，作業系統應當繼續向下執行，setup 還做了一件重要的事：

• 進入保護模式（此前是真真實模式）

call empty_8042
mov al,#0xD1
out #0x64,a1

call empty_8042
mov a1,#0xDF
out #ox60,a1
mov ax,#0x0001
mov cr0,ax
jmpi 0,8
 

empty_8042:
  .word 0x00eb,0x00eb
  in al,#0x64
  test al,#2
  jnz empty_8042
  jnz empty_8042
  ret

來看這一句：

jmpi 0,8

• 這句程式碼是重點，也是作業系統中的理解重點
• 如果還按照上面的定址模式，則會跳轉到0x80，屬於system模組，會宕機
• 所以實際上並不是上面的定址模式，cs<<4+ip,cs和ip都是16位元暫存器，這種定址最多隻能達到20位地址 = 1M,不適用動輒記憶體4G的計算機。
• 所以需要從16/20位（1M）切換到32位元（4G），後者就是保護模式
• 那麼如何做到這種切換呢？即切換定址模式，切換CPU的解釋方式，切換為另一條電路？

這兩句：

mov ax,#0x0001
mov cr0,ax

• 提到了一個暫存器cr0，這個暫存器的最後一位PE，如果是0，則為真真實模式；如果是1，則為保護模式。

• 可見，這兩句程式碼就是把末位賦1，走了另一條電路

• 而這個電路如何解釋執行，涉及一個著名概念 gdt.

  這個功能由硬體實現，目的就是快。

• 

• cs此時被稱為 選擇子(selector) ，存放查表的索引，真正的地址放在表項裡。

  cs=8是要選擇表中的項，再從表中取出基址，與ip相加得到地址，這時得到的就是32位元地址。

  這個表就是著名的 gdt表（global description table）

• 表中的內容從何而來呢？是由setup.s來做的。

#這段程式碼簡單講
end_move:mov ax,#SETUPSEG
		 mov ds,ax
		 lidt idt_48
		 lgdt gdt 48
		 
idt_48:.word 0 
	   .word 0,0
gdt_48:.word 0x800
	   .word 512+gdt,0x9
	   
## 這一段就是初始化表
gdt:.word 0,0,0,0
	# 注意，一個word16位元，所以一行作為一個表項就是64位元
	.word 0x07FF,0x0000,0x9A00,0x00C0
	# 定址的時候以位元組做索引，1個位元組8位元，所以cs=8就是這個第二行起始處
	.word ox07FF,0x0000,0x9200,0x00C0

通過上面程式碼幾個指令的組合（相對固定），就能得到這個gdt表，再結合上面那一段更改定址方式的指令，就能夠實現jmpi 0,8

現在來談中斷，中斷處理也與上面類似。

也是以上面的方式去尋找中斷函數的入口地址。

這一點再下一部分作業系統介面會再提到。

6.3 gdt 查表方式理解

上面我們得知，jmpi 0,8使用gdt 查表，查到的是下面程式碼中的第2行word，而怎麼解釋這個表項則是由硬體規定的。

.word的四個地址是如何體現在GDT表項中的呢？

• 注意看GDT表項的四個段標註
  • 段基址31...24對應0x00C0的高位00
  • 段基址23...16對應0x9A00的低位00
  • 段基址15...0對應0x0000
  • 段限長15...0對應0x07FF
• 合起來，段基址就是全零。
• 所以這個表項的意思是，jmp 到記憶體0x0000處，接下來去0地址處執行，也就是前面移動過的system模組。

也就是大端定址。

這裡存放的不連續是因為硬體設計的歷史原因。

前面提到過的bootsect模組和setup模組都是由其相應的.s檔案編譯過來的，而system模組一定有很多檔案，我們要保證接下來進行的是system的第一段程式碼；也就是head.s，

• 作業系統的程式碼最後必須是：boot、setup、system這樣的過程
• 這些過程的嚴絲合縫，才能保證作業系統順利開機，否則就宕機了。

所以我們要編寫編譯作業系統的控制程式碼——Makefile。

6.4 Makefile

Makefile可以控制最終生成的程式碼的組織結構，然後按照前述的順序放在硬碟的前面幾個磁區中。

我們通常把作業系統編譯後的樣子稱為 image，image 中就是上面所說的程式碼結構，指定放在0磁軌0磁區。

• Makefile是一種樹狀結構

• image 是依賴於上圖中的 boot/bootsect tools/system tools/build ... 產生

  相當於父節點依賴於子節點，每個子結點完成了，最終整個樹才能建立。

• 而image 的這些子節點還會依賴於它的子節點，比如tools/system依賴於boot/head.o init/main,o $(DRIVERS) 等等

• 上面提到過的這些子節點還會依賴於 head.s等檔案。

• 當所有子節點完成後，通過(LD)boot/head.o init/main.o $DRIVERS ... -o tools/system 連結起來，來構建父節點

• 再向上建立 image

  使用build，具體參見 Linux 原始碼

• 而在整個樹中，head.s 是第一個。

  這就達到了目的。

1. 每個子節點的依賴關係在下方會像 tools/system這樣寫出來，通過這種書寫方式建立一整個樹。

2. 資料結構的後根遍歷。

3. system模組的第一部分程式碼是head.s，head.s執行完後再執行main.c

7. head.s 程式碼理解

• 再次初始化IDT和GDT表

  之前的IDT 和 GDT 被建立起來只是為了臨時完成jmpi 0,8 這條指令，而之後作業系統要開始真正工作。

• 其他如開啟20號地址線 ，就不再探討細節。

• 上圖中，head.s的程式碼和之前看到的bootsect.s和setup的程式碼不太一樣，多了很多%eax，而不再是ax。

  這是因為head.s是執行在保護模式（32位元模式）下的，是32位元的組合程式碼，而bootsect.s和setup的程式碼是16位元的組合程式碼。

  

1. as86組合：16位元的Intel 8086組合
2. GNU as組合：產生32位元程式碼，採用 AT&T系統V語法。
3. 另外在c程式碼中，可以內嵌組合，達到精細控制的目的，這又是另外一種組合

接下來會跳轉到 main.c。從組合跳到C，如何做到？

• 與C語言之間的跳轉沒有區別，C語言本身還是組合，通過棧來完成。

  複習C語言壓棧

  • 主看這篇，這篇文章與老師的講解比較類似
  • 從斷點偵錯角度講解，比較實在

  執行時棧是從高地址拓展到低地址的，是從上（頂）到下（底）壓棧。

  下圖中的左上角棧圖中下面是棧頂，並不衝突，倒著看就可以了，下圖程式碼就是：先壓入p3,p2,p1(3個0)，返回地址(L6)，main

after_page_tables:
	#壓棧
	push1 $0
	push1 $0
	push1 $0
	push1 $L6
	push1 $_main
	#壓棧結束後跳轉到set_paging
	jmp set_paging
	
L6: jmp L6
setup_paging:#設定頁表程式碼#
			 ret
## 設定頁面setup_paging的具體程式碼這裡省略，後面再講

• 可見head.s也是在壓棧，所以從head.s跳轉到main.c實際上很簡單，就是把引數和main.c的地址壓入棧中
• 在設定頁表的程式碼（即setup_paging模組）執行完後，會執行 ret返回指令，那麼就把棧中 main.c 的地址作為返回地址，達到了跳轉到main.c的效果
• 接下來就是執行上面壓棧的內容，即執行main.c。
• 如果main.c執行結束，會跳轉到L6，L6是一個死迴圈；實際上，正常情況下，main.c就會一直執行下去，不會執行結束，如果main.c結束了，就會跳到L6，表現的結果就是計算機宕機了

總結一下head.s功能：

1. 初始化idt以及gdt，表示用各種資料結構管理硬體引數
2. 向後交接給main.c

8. main.c 程式碼理解

下面就開始C語言程式了。

• 傳給main函數的三個形參（上一部分的p1~p3），分別是envp、argv、argc，但是main函數並沒有使用；main如果返回，就會跳轉到L6，但作業系統正常情況下一直在工作，永遠不會退出；
• main的工作就是xx_init：記憶體、中斷、裝置、時鐘、CPU等內容的初始化，這裡就可以看到熟悉的chr_dev_init()，tty_init()等等

init 函數舉例mem_init()函數：

• mem_init()就是記憶體的初始化，如下圖

• 按照 4K 為單位對記憶體進行劃分割區域（頁），mem_map陣列是表示記憶體區域是否被使用的一個表格；

  2的12次方也就是4K，這就是 頁 的初始化

• end_mem其實就是總記憶體大小，那這個引數是從哪裡來的呢？我們之前講setup的時候，說了會讀取記憶體大小放在0x90002的位置，就是從這裡來的。

  妙蛙。

• 下面的程式碼，首先將mem_map全部初始化為USED，然後將start_mem到end_mem之間的記憶體區域設定為0，即未被使用

• mem_map前面的部分是USED，這是作業系統程式碼和一些管理硬體的資料結構所佔用的記憶體

9. 總結

• 前面程式碼部分，分析了bootsect.s、setup、head.s、main.c、mem_init()

  bootsect.s 將作業系統從磁碟讀入，setup.s 獲得引數，啟動保護模式，head.s 初始化頁表，main.c 初始化硬體管理器。

• 籠統的說，這些步驟，就是做了兩件事情

  1. 把作業系統程式碼讀到記憶體中，讀到記憶體中，CPU才可以取指執行
  2. 初始化工作，準備一些用於管理硬體裝置的資料結構

• 後面我們還會回過頭來看這裡準備的這些資料結構