操作系统——底层结构与设计原理知识汇总

JOS源文件安排：

inc/     这个文件夹是一些include文件，即各种类型的头文件。

            env.h       Public definitions for user-mode environments

            trap.h      Public definitions for trap handling

            syscall.h   Public definitions for system calls from user environments to the kernel

            lib.h       Public definitions for the user-mode support library

kern/   env.h       Kernel-private definitions for user-mode environments

            env.c       Kernel code implementing user-mode environments

            trap.h      Kernel-private trap handling definitions

            trap.c      Trap handling code

            trapentry.S Assembly-language trap handler entry-points

            syscall.h   Kernel-private definitions for system call handling

            syscall.c   System call implementation code

lib/       Makefrag    Makefile fragment to build user-mode library, obj/lib/libjos.a

            entry.S     Assembly-language entry-point for user environments

            libmain.c   User-mode library setup code called from entry.S

            syscall.c   User-mode system call stub functions

            console.c   User-mode implementations of putchar and getchar, providing console I/O

            exit.c      User-mode implementation of exit

            panic.c     User-mode implementation of panic

user/   *           Various test programs to check kernel lab 3 code

8086与80386寄存器对比：

“访存”指令中给定地址值（16位），CPU将其送往地址线（20位）。在8086时代，在把地址送往地址线之前，CPU会把它与某个段寄存器中的值相加：实际物理地址 = (段寄存器 <<4) + 偏移地址——从而实现了从16位内存地址到20位实际地址的映射。

到80286时代，引入了一个全新理念：“保护模式”，它的引入给寻址方式、中断管理都带来了变化。从此，我们把之前的段式管理方法称为“实模式”。

1）实模式下段的管理

实模式下一共有8种寻址方式：

本质上实模式下的寻址方式都是段基址左移4位加上偏移。

2）保护模式下段的管理

在保护模式下，利用一个段选择子（本质上是在一组段描述符数组中的下标或者说索引）到全局描述符表（一组段描述符构成的数组）中找到所需的段描述符（本质上是个结构体，它有三个成员变量：段物理首地址、段界限、段属性），而这个段描述符中就存放着真正的段的物理首地址，然后再加上偏移量得到最后的物理地址。

实际物理地址 = selector + offset，其中selector是16位的用于在GDT中索引，offset是32位的。

当发生内存寻址与定位时，处理器通过GDTR寄存器找到GDT，并通过selector找到对应的描述符，今儿得到该段的起始地址，最后加上偏移得到实际地址。 

kern/init.c：
入口：
void i386_init(void){
cons_init(); //命令台初始化
kern/console.c:
{
cga_init();
kbd_init();
serial_init();
}

mem_init(); //内存管理初始化
kern/pmap.c:
{
i386_detect_memory();
kern_pgdir = boot_alloc();
pages = boot_alloc();
envs = boot_alloc();
page_init();
boot_map_region( .pages. );
boot_map_region( .envs. );
boot_map_region( .bootstack. );
boot_map_region( .0. );
lcr3(PADDR(kern_pgdir));
}
env_init(); //进程管理初始化
kern/env.c:
{
... //建立envs数组
env_init_percpu(); //载入GDT和段描述符
}
trap_init(); //进程管理初始化：中断处理
kern/trap.c:
{
SETGATE(); //建立中断描述符表
trap_init_percpu();
}
//创建进程，等同于env_create(_binary_obj_user_hello_start, ENV_TYPE_USER);
//这里的符号名‘_binary_obj_user_hello_start’是链接器在链接内核镜像时自动生成的
ENV_CREATE(user_hello, ENV_TYPE_USER);
kern/env.c:
{
env_alloc();
{
env_setup_vm(e); //为进程分配并建立页目录
... //生成env_id
... //设置基本状态变量
... //设置段寄存器初值
}
load_icode();
{
lcr3(PADDR(e->env_pgdir));
region_alloc(); //分配一定字节物理内存并映射到进程地址空间的某虚地址
{
page_alloc();
page_insert();
}
memmove();
memset();
lcr3(PADDR(kern_pgdir));
region_alloc();
}
}
env_run(&envs[0]); //运行进程，此函数不会返回，将不断循环直到销毁进程并退出
{
... //设置(需要时切换)当前curenv
lcr3(PADDR(curenv->env_pgdir));
env_pop_tf(); //这是进入用户模式前的最后一个函数
}
while(1) //陷入内核监控器
monitor(NULL);
}

env_pop_tf()函数的作用就是按Trapframe的结构将其从栈中恢复到各寄存器中去，最后执行iret指令，从而从内核退出并开始执行用户进程代码。

执行完 iret 后进入用户模式，跳往lib/entry.S中定义的 _start: 处，执行完一些准备工作后执行 call libmain。  

libmain()定义在lib/libmain.c中，在其中调用用户主程序：umain()，执行完用户程序后exit()。

umain()定义在user/hello.c中，在其中可能执行一些如cprintf()之类的库函数，这些函数本质上最终都会执行系统调用。

上述调用过程发生在用户态下，调用过程如下：

kern/env.c:
void env_pop_tf()
{
... //从栈中弹出Trapframe，恢复寄存器的值
iret //退出内核态，进入用户程序
}
--------------------内核态用户态分界线-------------------
lib/entry.S：
.text
.global _start
_start:
...
args_exist:
call libmain //调用库函数libmain
...
lib/libmain.c：
void libmain()
{
...
umain(); //调用用户主函数umain
exit();
}
user/hello.c：
void umain()
{
cprintf("hello world\n");
}