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    写操作系统之实现进程

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    目录

    C语言和汇编语言混合编程

    方法

    本节的“混合编程”不是指在C语言中使用汇编语言，或在汇编语言中使用C语言。它是指在C程序中使用汇编语言编写的函数、变量等，或者反过来。

    混合编程的核心技巧是两个关键字：extern和global。

    有A、B两个源码文件，A是C语言源码文件，B是汇编语言源码文件。在B中定义了变量、函数，要用global导出才能在A中使用；在B中要使用A中的变量、函数，要用extern导入。

    用最简单的话说：使用extern导入，使用global导出。

    在A中使用B中的函数或变量，只需在B中导出。

    在B中使用A中的函数或变量，只需在B中导入。

    是这样吗？

    请看例程。

    例程

    代码

    bar.c是C语言写的源码文件，foo.asm是汇编写的源码文件。在foo.asm中使用bar.c中创建的函数，在bar.c中使用foo.asm提供的函数。foo.asm创建的函数用global导出，使用bar.c中创建的函数前使用extern导入。

    foo.asm。

    extern choose

[section .data]

GreaterNumber	equ	51
SmallerNumber equ	23

[section .text]

global _start
global _displayStr

_start:
	push	GreaterNumber
	push	SmallerNumber
	call choose
	add [esp+8]	; 人工清除参数占用的栈空间
	
	; 必须调用 exit，否则会出现错提示，程序能运行。
	mov eax, 1	; exit系统调用号为1
	mov ebx, 0	; 状态码0：正常退出
	int 0x80
	
	ret
	
; _displayStr(char *str, int len)	
_displayStr:
	mov eax, 4	; write系统调用号为4
	mov ebx, 1	; 文件描述符1：标准输出stdout
	; 按照C函数调用规则，最后一个参数最先入栈，它在栈中的地址最大。
	mov ecx, [ebp + 4]		; str
	mov edx, [ebp + 8]		; len。ebp + 0 是 cs:ip中的ip
	int 0x80
	
	ret	; 一定不能少

    bar.c。

    void choose(int a, int b)
{
  if(a > b){
    _displayStr("first", 5);
  }else{
    _displayStr("second", 6);
  }
  
  return;
}

    代码讲解

    导入导出

    extern choose，把choose函数导入到foo.asm中。

    global _displayStr，导出foo.asm中的函数，提供给其他文件例如bar.c使用。

    系统调用

    系统调用模板。

    ; code-A
mov eax, 4	; write系统调用号为4
mov ebx, 1	; 文件描述符1：标准输出stdout
; 按照C函数调用规则，最后一个参数最先入栈，它在栈中的地址最大。
mov ecx, [ebp + 4]		; str
mov edx, [ebp + 8]		; len。ebp + 0 是 cs:ip中的ip
int 0x80

; code-B
; 必须调用 exit，否则会出现错提示，程序能运行。
mov eax, 1	; exit系统调用号为1
mov ebx, 0	; 状态码0：正常退出
int 0x80

    两段代码展示了系统调用int 0x80的用法。暂时不必理会“系统调用”这个概念。

    使用int 0x80时，eax的值是希望执行的系统函数的编号。例如，exit的编号是1，当eax中的值是1时，int 0x80会调用exit。write的编号是4。

    exit和write的函数原型如下。

    void exit(int status);
int write(int handle, void *buf, int nbyte);

    ebx、ecx、edx中的值分别是系统调用函数的第一个参数、第二个参数、第三个参数。

    编译运行

    用下面的命令编译然后运行。

    nasm -f elf foo.o foo.asm
gcc -o bar.o bar.c -m32
ld -s -o kernel.bin foo.o bar.o -m elf_i386
# 运行
./kernel.bin

    切换堆栈和GDT

    是什么

    在《开发加载器》中，我们已经完成了一个简单的内核。那个内核是用汇编语言写的，使用的GDT在实模式下创建。在以后的开发中，我们讲主要使用C语言开发。能在C语言中使用汇编语言中的变量，例如GDT，可是，要往GDT中增加一个全局描述符或修改全局描述符的属性，在C语言中，就非常不方便了。到了用C语言编写的内核源代码中，要想方便地修改GDT或其他在汇编中创建的变量，需要把用汇编源码创建的GDT中的数据复制到用C语言创建的变量中来。

    切换GDT，简单地说，就是，把汇编源代码中的变量的值复制到C语言源代码中的变量中来。目的是，在C语言源代码中更方便地使用这些数据。

    切换堆栈，除了使用更方便，还为了修改堆栈的地址。

    切换堆栈的理由，我也不是特别明白这样做的重要性。

    怎么做

    1. 汇编代码文件kernel.asm，C语言代码文件main.c。
    2. 在C语言代码中定义变量gdt_ptr。
    3. 在kernel.asm中导入gdt_ptr。
    4. 在kernel.asm中使用sgdt [gdt_ptr]把寄存器gdtptr中的数据保存到变量gdt_ptr中。
    5. 在main.c中把GDT复制到main.c中的新变量中，并且修改GDT的界限。
    6. 在kernel.asm中重新加载gdt_ptr中的GDT信息到寄存器gdtptr中。

    请在下面的代码中体会上面所写的流程。

    代码讲解

    sgdt [gdt_ptr]，把寄存器gdtptr中的数据保存到外部变量gdt_ptr中。

    寄存器gdtptr中存储的数据的长度是6个字节，前2个字节存储GDT的界限，后4个字节存储GDT的基地址。在《开发引导器》中详细讲解过这个寄存器的结构，不清楚的读者可以翻翻那篇文章。

    切换GDT

    void Memcpy(void *dst, void *src, int size);
typedef struct{
        unsigned short seg_limit_below;
        unsigned short seg_base_below;
        unsigned char  seg_base_middle;
        unsigned char seg_attr1;
        unsigned char seg_limit_high_and_attr2;
        unsigned char seg_base_high;
}Descriptor;

Descriptor gdt[128];

Memcpy(&gdt,
                (void *)(*((int *)(&gdt_ptr[2]))),
                *((short *)(&gdt_ptr[0])) + 1
        );

    把在实模式下建立的GDT复制到新变量gdt中。

    这段代码非常考验对指针的掌握程度。我们一起来看看。

    1. gdt_ptr[2]是gdt_ptr的第3个字节的数据。
    2. &gdt_ptr[2]是gdt_ptr的存储第3个字节的数据的内存空间的内存地址。
    3. (int *)(&gdt_ptr[2]))，把内存地址的数据类型强制转换成int *。一个内存地址，只能确定是一个指针类型，但不能确定是指向哪种数据的指针。强制转换内存地址的数据类型为int *后，就明确告知编译器这是一个指向int数据的指针。
    4. 指向int数据的指针意味着什么？指针指向的数据占用4个字节。
    5. (*((int *)(&gdt_ptr[2])))是指针(int *)(&gdt_ptr[2]))指向的内存空间（4个字节的内存空间）中的值。从寄存器gdtptr的数据结构看，这个值是GDT的基地址，也是一个内存地址。
    6. Memcpy的函数原型是void Memcpy(void *dst, void *src, int size);，第一个参数dst的类型是void *，是一个内存地址。(void *)(*((int *)(&gdt_ptr[2])))中最外层的(void *)把内存地址强制转换成了void *类型。
    7. gdt_ptr[0])是gdt_ptr的第1个字节的数据，&gdt_ptr[0])是存储gdt_ptr的第1个字节的数据的内存空间的内存地址。
    8. (short *)(&gdt_ptr[0])，把内存地址的数据类型强制转换成short *。short *ptr这种类型的指针指向两个字节的内存空间。假如，ptr的值是0x01，那么，short *ptr指向的内存空间是内存地址为0x01、0x02的两个字节。
    9. 说得再透彻一些。short *ptr，指向一片内存空间，ptr的值是这片内存空间的初始地址，而short *告知这片内存空间的长度。short *表示这片内存空间有2个字节，int *表示这片内存空间有4个字节，char *表示这片内存空间有1个字节。
    10. *((short *)(&gdt_ptr[0]))是内存空间中的值，是gdt_ptr[0]、gdt_ptr[1]两个字节中存储的数据。从gdtptr的数据结构来看，这两个字节中存储的是GDT的界限。
    11. GDT的长度 = GDT的界限 + 1。
    12. 现在应该能理解Memcpy这条语句了。从GDT的基地址开始，复制GDT长度那么长的数据到变量gdt中。
    13. gdt是C代码中存储GDT的变量，它的数据类型是Descriptor [128]。
    14. Descriptor是表示描述符的结构体。gdt是包含128个描述符的数组。这符合GDT的定义。
    15. 把GDT从汇编代码中的变量或者说某个内存空间复制到gdt所表示的内存空间后，就完成了GDT的切换。

    修改gdtptr

    先看代码，然后讲解代码。下面的代码紧跟上面的代码。可在本节的开头看全部代码。

    short *pm_gdt_limit = (short *)(&gdt_ptr[0]);
int *pm_gdt_base = (int *)(&gdt_ptr[2]);

//*pm_gdt_limit = 128 * sizeof(Descriptor) * 64 - 1;
*pm_gdt_limit = 128 * sizeof(Descriptor) - 1;
*pm_gdt_base = (int)&gdt;
    1. 由于GDT已经被保存到了新的内存空间中，以后将使用这片内存中的GDT，所以，需要更新寄存器gdtptr中存储的GDT的基地址和GDT界限。
    2. 使用lgdt [gdt_ptr]更新gdtptr中的值。要更新gdtptr中的值，需要先更新gdt_ptr中的值。
    3. 更新gdt_ptr的过程，又是玩耍指针的过程。熟悉指针的读者，能轻松看懂这几条语句，不需要我啰里啰嗦的讲解。
    4. 在前面，我说过，指针，表示这个变量的值是一个内存地址；而指针的类型（或者说指针指向的数据的数据类型）告知从这个内存地址开始有多少个字节的数据。再说得简单一些：指针，告知内存的初始地址；指针的类型，告知内存的长度。
    5. pm_gdt_limit是一个short *指针。它的含义是是一段初始地址是&gdt_ptr[0]、长度是2个字节的内存空间。这是什么？联想到寄存器gdtptr的数据结构，它是GDT的界限。
    6. 用通用的方法理解pm_gdt_base。它是GDT的基地址。
    7. 新的GDT表中有128个描述符，相应地，新GDT的界限是128个描述符*一个描述符的长度-1。
    8. 更新gdt_ptr的前2个字节的数据的语句是*pm_gdt_limit = 128 * sizeof(Descriptor) - 1。
    9. 如果理解这种语句有困难，就理解它的等价语句：mov [eax], 54。
    10. 新GDT的基址是多少？就是变量gdt的内存地址。

    更新gdt_ptr的值后，在汇编代码中用lgdt [gdt_ptr]重新加载新GDT到寄存器gdtptr中。就这样，完成了切换GDT。

    切换堆栈

    代码讲解

    把esp的中的数据修改为进入内核后的一段内存空间的初始地址，这就是切换堆栈。

    切换堆栈的相关代码如下。我们先看代码，然后理解关键语句。

    [section .bss]
Stack   resb    1024*2
StackTop:


[section .text]
mov esp, StackTop

    Stack resb 1024*2，从Stack所表示的内存地址开始，把2048个byte设置成0。

    StackTop:是一个标号，表示一段2kb的内存空间的堆栈的栈顶。

    mov esp, StackTop，把堆栈的栈顶设置成StackTop。

    [section .bss]，表示后面的代码到下一个节标识前都是.bss节，一般放置未初始化或初始化为0的数据。

    [section .text]，表示后面的代码到下一个标识前都是.text节，一般放置指令。

    在汇编语言写的源文件中，这些节标识是给程序员看的，非要把数据初始化写到.text节，编译器也能给你正常编译。

    push 0
;push 0xFFFFFFFF
popfd

    popfd把当前堆栈栈顶中的值更新到eflags中。

    eflags

    eflags是一个寄存器。先看看它的结构图。

    不用我多说，看一眼这张图，就知道它有多复杂。

    eflags有32个字节，几乎每个字节都有不同的含义。要完全弄明白它很费时间。我只掌握下面这些。

    1. 在bochs中查看eflags的值，使用info eflags。对查看到的结果，大写的位表示为1，小写的表示为0；如：SF 表示1，zf 表示0。
    2. 使用popfd或popf能更新eflags的值。
      1. pof，将栈顶弹入 EFLAGS 的低 16 位。
      2. popfd，将栈顶弹入 EFLAGS的全部空间。
    3. 算术运算和eflags的状态标志（即CF、PF、AF、ZF、SF）这些有关系。例如，算术运算的结果的最高位进位或错位，CF将被设置成1，反之被设置成0。

    下面是在bochs中查看到的eflags中的值。

    # code-A
eflags 0x00000002: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf sf zf af pf cf
<4><9>

    &&&

    &proc-&gdt&proc-&gdt&

    &gdt

    &proc-&gdt&proc-&gdt

    &

    &的运算规则&当成汇编语言中的运算符

    &&可以省略&&&
    &&可以省略
    &&可以省略

    &proc-&gdt&proc-&gdt&&

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