[自制操作系統] 第13回 磨刀不誤砍柴工

目錄
一、前景回顧
二、編寫makefile
三、實現Assert斷言
四、實現字符串操作函數
五、測試

 

一、前景回顧

　　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，這里可以給讀者一個建議，想象自己是CPU，當接收到中斷信號后，根據中斷的處理流程去看代碼，應該很快就能看懂代碼，不要單獨去看某一塊代碼，這樣代入性不強。這一回先暫停主線任務，先騰出手來把一些准備工作給完善了。

二、編寫makefile

　　這里為什么要插入makefile呢？在前面的代碼中，如果讀者都編譯運行過的話，會發現實在是太太太麻煩了！每一個文件都要去編譯，最后再鏈接。所以這里我們寫一個自己的makefile，只需要一鍵make就可以。直接上代碼：

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 
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 
mbr.bin: mbr.S 16  nasm -I include/ mbr.S -o mbr.bin 17 
loader.bin: loader.S 19  nasm -I include/ loader.S -o loader.bin 20 
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 
#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 
#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 
#編譯四個目錄下的.c文件為對應的.o文件 36 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH1)/%.c 37  gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@ 38 
$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH2)/%.c 40  gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@ 41 
$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH3)/%.c 43  gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@ 44 
$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH4)/%.c 46  gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@ 47 
$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH5)/%.c 49  gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-stack-protector -fno-builtin $< -o $@ 50 
.PHONY:clean #防止 外面有clean文件 阻止執行clean 52 clean: 53  -rm -rf $(BUILD_DIR)/*.o

　　我們新建了一個文件夾build，這個文件以后專門用於存放編譯生成的.o文件。這里需要注意一個地方，因為考慮到ld鏈接的順序，被依賴的文件應該放在前面。所以這里需要手動添加鏈接的文件。以后每新增一個.o文件，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，我們以后只需要通過make就可以編譯鏈接所有文件，通過make install命令就可以自動將生成的bin文件拷貝進硬盤並且啟動系統。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丑，不過能用就行了。

三、實現Assert斷言

　　Assert斷言是什么意思呢？我以前學習stm32的時候，有些時候看源代碼會有這種代碼出現：

　　

　　它就是一種Assert斷言，什么意思呢？就是對傳進來的表達式進行判斷，如果為真就跳過，如果為假就報錯。就是起到一種debug的作用，好讓你知道當程序出錯后，是錯在哪個地方。在此之前，還需要完善一下interrupt.c和interrupt.h文件，然后在project/kernel目錄下新建debug.c和debug.h文件。一並如下：

#include "interrupt.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "io.h"
#include "print.h"

#define IDT_DESC_CNT 0x81               //目前支持的中斷數

#define PIC_M_CTRL  0x20                //主片的控制端口是0x20
#define PIC_M_DATA  0x21                //主片的數據端口是0x21
#define PIC_S_CTRL  0xa0                //從片的控制端口是0xa0
#define PIC_S_DATA  0xa1                //從片的數據端口是0xa1

#define EFLAGS_IF 0x00000200           //eflags寄存器的if位為1
#define GET_EFLAGS(EFLAGS_VAR)    asm volatile("pushfl;  popl %0" : "=g"(EFLAGS_VAR))

/*中斷門描述符結構體*/
struct gate_desc {  19  uint16_t func_offet_low_word;  20  uint16_t selector;  21     uint8_t dcount;                 //此項為雙字計數字段，是門描述符中的第4字節
 uint8_t attribute;  23  uint16_t func_offet_high_word;  24 };  25 
/*定義IDT表*/
static struct gate_desc idt[IDT_DESC_CNT];  28 extern intr_handler intr_entry_table[IDT_DESC_CNT];  29 
char *intr_name[IDT_DESC_CNT];                //用於保存異常的名字
intr_handler idt_table[IDT_DESC_CNT];         //定義中斷處理程序數組

/*通用的中斷處理函數，一般用在異常出現時的處理*/
static void general_intr_handler(uint8_t vec_nr)  35 {  36     if (vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f) {  37         return ;  38  }  39 
    /*將光標置為0，從屏幕左上角清出一片打印異常信息的區域，方便閱讀*/
    set_cursor(0);  42     int cursor_pos = 0;  43     while (cursor_pos < 320) {  44         put_char(' ');  45         cursor_pos++;  46  }  47 
    set_cursor(0);  49     put_str("!!!!!!!!!!!exception message begin!!!!!!!!!");  50     set_cursor(88);  51  put_str(intr_name[vec_nr]);  52     
    //如果為pagefault，將缺失的地址打印出來並且懸停
    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
        put_str("\npage fault addr is: ");put_int(page_fault_vaddr);  58  }  59     put_str("!!!!!!!!!!!exception message end!!!!!!!!！!");  60     //能進入中斷處理程序就表示已經處於關中斷的情況下，不會出現進程調度的情況，因此下面的死循環可以一直執行
    while (1);  62 }  63 
/*完成一般中斷處理函數注冊及異常名稱注冊*/
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
    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 
/* 初始化可編程中斷控制器8259A */
static void pic_init(void) {  96    /* 初始化主片 */
   outb(PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
   outb(PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中斷向量號為0x20,也就是IR[0-7] 為 0x20 ~ 0x27.
   outb(PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接從片. 
   outb(PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式, 正常EOI

   /* 初始化從片 */
   outb(PIC_S_CTRL, 0x11);    // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
   outb(PIC_S_DATA, 0x28);    // ICW2: 起始中斷向量號為0x28,也就是IR[8-15] 為 0x28 ~ 0x2F.
   outb(PIC_S_DATA, 0x02);    // ICW3: 設置從片連接到主片的IR2引腳
   outb(PIC_S_DATA, 0x01);    // ICW4: 8086模式, 正常EOI
   
   /*打開鍵盤和時鍾中斷*/
   outb(PIC_M_DATA, 0xfc); 110    outb(PIC_S_DATA, 0xff); 111 
   put_str("pic_init done\n"); 113 } 114 

/*創建中斷門描述符*/
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 
/*初始化中斷描述符表*/
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 
    /* 單獨處理系統調用，系統調用對應的中斷門dpl為3 135  中斷處理程序為單獨的syscall_handler */
    //make_idt_desc(&idt[0x80], IDT_DESC_ATTR_DPL3, syscall_handler);
    put_str("ide_desc_init done\n"); 138 } 139 
/*完成中斷有關的所有初始化工作*/
void idt_init(void) 142 { 143     put_str("idt_init start\n"); 144  idt_desc_init(); 145  exception_init(); 146  pic_init(); 147 
    /*加載idt*/
    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 

/*在中斷處理程序數組第vector_no個元素中注冊安裝中斷處理程序*/
void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function) 157 { 158     idt_table[vector_no] = function; 159 } 160 

/*開中斷，並且返回開中斷前的狀態*/
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
        return old_status; 173  } 174 } 175 
/*關中斷，並且返回關中斷前的狀態*/
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 
/*將中斷狀態設置為status*/
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status) 192 { 193     return status & INTR_ON ? intr_enable() : intr_disable(); 194 } 195 
/*獲取當前中斷狀態*/
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       //中斷打開
}; 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

四、實現字符串操作函數

　　這個沒什么好說的，就是一些基本的字符串操作函數，為方便后面的使用。在project/lib/kernel目錄下新建string.c和string.h文件，代碼如下：

#include "string.h"
#include "global.h"
#include "debug.h"

/*將dst_起始的size個字節置為value*/
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 
/*將src_起始的size個字節復制到dst_*/
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 
/*連續比較以地址a_和地址b_開頭的size個字節，若相等則返回0，若a_大於b_，返回+1，否則返回-1*/
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 
/*將字符串從src_復制到dst_*/
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
    return dst; 47 } 48 
/*返回字符串長度*/
uint32_t strlen(const char *str) 51 { 52     const char *p = str; 53     while (*p++); 54     return (p - str - 1); 55 } 56 
/*比較兩個字符串，若a_中的字符大於b_中的字符返回1，相等返回0，否則返回-1*/
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;    //這里的*a > *b，如果滿足就是1，否則就是0，很巧妙
} 69 
/*從左往右查找字符串str首次出現字符ch的地址*/
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

五、測試

　　最后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); }

　　最終運行結果如下，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內存管理系統。欲知后事如何，請看下回分解。