文章目录

• 前言
• 前置知识
• 实验操作
• • 实验一
  • 实验二

前言

博客记录《操作系统真象还原》第十一章实验的操作~

实验环境：ubuntu18.04+VMware ， Bochs下载安装

实验内容：

1. 定义并初始化 TSS。
2. 实现用户进程。

前置知识

TSS 简介

TSS，即 Task State Segment，任务状态段。它是处理器在硬件上原生支持多任务的一种实现方式，也就是说处理器原本是想让操作系统开发厂商利用此结构实现多任务的。

TSS 是一种固定格式的数据结构，它用于存储任务的环境。

Linux TSS 的操作是一次性加载 TSS(TR) ~

现代操作系统采用的任务切换方式

• 当一个中断发生在用户态（特权级 3），处理器将从当前任务的 TSS 中获取 SS0 和 ESP0 字段的值。
• 每个 CPU 中只创建一个 TSS，在各个 CPU 上执行的所有任务都共享一个 TSS。
• 在 TR 加载 TSS 后，该 TR 寄存器将永远指向那一个 TSS，之后再也不会重新加载 TSS。
• 在进程切换时，只需要把 TSS 中的 SS0 和 ESP0 更新为新任务的内核栈的段地址以及栈指针。
• Linux 对 TSS 的操作是一次性加载 TSS 到 TR，之后不断修改同一个 TSS 的内容，不再重复加载。
• Linux 中任务切换不使用 call 和 jmp 指令，避免了任务切换的低效。

用户进程

创建和执行进程的流程图

参考自：《操作系统-真象还原》11. 用户进程

实验操作

实验一

修改global.h

新建tss.c , tss.h （放在新建的userprog目录下，这个目录存放有关用户进程的代码文件）

【注意】：tss.h引用thread的路径

修改init.c

makefile文件

BUILD_DIR = ./build
ENTRY_POINT = 0xc0001500
AS = nasm
CC = gcc
LD = ld
LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/ 
ASFLAGS = -f elf
CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
LDFLAGS =  -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \$(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/switch.o \$(BUILD_DIR)/debug.o $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o \$(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o $(BUILD_DIR)/list.o \$(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o $(BUILD_DIR)/keyboard.o \$(BUILD_DIR)/ioqueue.o $(BUILD_DIR)/tss.o##############     c代码编译     ###############
$(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \lib/stdint.h kernel/init.h lib/string.h kernel/memory.h \thread/thread.h kernel/interrupt.h device/console.h \device/keyboard.h device/ioqueue.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \lib/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h kernel/memory.h \thread/thread.h device/console.h device/keyboard.h userprog/tss.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \lib/stdint.h kernel/global.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h \kernel/interrupt.h thread/thread.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/string.o: lib/string.c lib/string.h \kernel/debug.h kernel/global.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/memory.o: kernel/memory.c kernel/memory.h \lib/stdint.h lib/kernel/bitmap.h kernel/debug.h lib/string.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/bitmap.o: lib/kernel/bitmap.c lib/kernel/bitmap.h kernel/global.h \lib/string.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/thread.o: thread/thread.c thread/thread.h \lib/stdint.h lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h \kernel/debug.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/list.o: lib/kernel/list.c lib/kernel/list.h \kernel/interrupt.h lib/stdint.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/sync.o: thread/sync.c thread/sync.h \lib/stdint.h thread/thread.h kernel/debug.h kernel/interrupt.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/console.o: device/console.c device/console.h \lib/kernel/print.h thread/sync.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/keyboard.o: device/keyboard.c device/keyboard.h \lib/kernel/print.h lib/kernel/io.h kernel/interrupt.h \kernel/global.h lib/stdint.h device/ioqueue.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/ioqueue.o: device/ioqueue.c device/ioqueue.h \kernel/interrupt.h kernel/global.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/tss.o: userprog/tss.c userprog/tss.h \kernel/global.h thread/thread.h lib/kernel/print.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@##############    汇编代码编译    ###############
$(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/switch.o: thread/switch.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@##############    链接所有目标文件    #############
$(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)$(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@.PHONY : mk_dir hd clean allmk_dir:if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fihd:dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img \bs=512 count=200 seek=9 conv=notruncclean:cd $(BUILD_DIR) && rm -f  ./*build: $(BUILD_DIR)/kernel.binall: mk_dir build hd

实验二

修改 thread.h，thread.c，global.h，memory.c，memory.h，thread.c，thread.h。

编写process.c，process.h

makefile

BUILD_DIR = ./build
ENTRY_POINT = 0xc0001500
AS = nasm
CC = gcc
LD = ld
LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/ 
ASFLAGS = -f elf
CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
LDFLAGS =  -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \$(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/switch.o \$(BUILD_DIR)/debug.o $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o \$(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o $(BUILD_DIR)/list.o \$(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o $(BUILD_DIR)/keyboard.o \$(BUILD_DIR)/ioqueue.o $(BUILD_DIR)/tss.o $(BUILD_DIR)/process.o##############     c代码编译     ###############
$(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \lib/stdint.h kernel/init.h lib/string.h kernel/memory.h \thread/thread.h kernel/interrupt.h device/console.h \device/keyboard.h device/ioqueue.h userprog/process.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \lib/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h kernel/memory.h \thread/thread.h device/console.h device/keyboard.h userprog/tss.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \lib/stdint.h kernel/global.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h \kernel/interrupt.h thread/thread.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/string.o: lib/string.c lib/string.h \kernel/debug.h kernel/global.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/memory.o: kernel/memory.c kernel/memory.h \lib/stdint.h lib/kernel/bitmap.h kernel/debug.h lib/string.h \thread/sync.h thread/thread.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/bitmap.o: lib/kernel/bitmap.c lib/kernel/bitmap.h kernel/global.h \lib/string.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/thread.o: thread/thread.c thread/thread.h \lib/stdint.h lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h \kernel/debug.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h \userprog/process.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/list.o: lib/kernel/list.c lib/kernel/list.h \kernel/interrupt.h lib/stdint.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/sync.o: thread/sync.c thread/sync.h \lib/stdint.h thread/thread.h kernel/debug.h kernel/interrupt.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/console.o: device/console.c device/console.h \lib/kernel/print.h thread/sync.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/keyboard.o: device/keyboard.c device/keyboard.h \lib/kernel/print.h lib/kernel/io.h kernel/interrupt.h \kernel/global.h lib/stdint.h device/ioqueue.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/ioqueue.o: device/ioqueue.c device/ioqueue.h \kernel/interrupt.h kernel/global.h kernel/debug.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/tss.o: userprog/tss.c userprog/tss.h \kernel/global.h thread/thread.h lib/kernel/print.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/process.o: userprog/process.c userprog/process.h \lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h lib/kernel/print.h \thread/thread.h kernel/interrupt.h kernel/debug.h device/console.h$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@##############    汇编代码编译    ###############
$(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@$(BUILD_DIR)/switch.o: thread/switch.S$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@##############    链接所有目标文件    #############
$(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)$(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@.PHONY : mk_dir hd clean allmk_dir:if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fihd:dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img \bs=512 count=200 seek=9 conv=notruncclean:cd $(BUILD_DIR) && rm -f  ./*build: $(BUILD_DIR)/kernel.binall: mk_dir build hd

sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk

参考资料

• 《操作系统真象还原》
• 《操作系统真象还原》第十一章 ---- 实现用户进程 欺骗CPU通彻进程原理 眺望终点到达还需砥砺前行
  
• 《操作系统-真象还原》11. 用户进程
  
• 操作系统真象还原 学习笔记12–用户进程
  
• IDT系列：（二）中断处理过程，使用bochs调试IDT中的中断服务程序