[自製操作系統] 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、實現字元串操作函數
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，這裡可以給讀者一個建議，想象自己是CPU，當接收到中斷信號後，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，先騰出手來把一些準備工作給完善了。

二、編寫makefile

　　這裡為什麼要插入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，最後再鏈接。所以這裡我們寫一個自己的makefile，只需要一鍵make就可以。直接上代碼：

 1 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 
11 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 
15 mbr.bin: mbr.S
16     nasm -I include/ mbr.S -o mbr.bin 
17 
18 loader.bin: loader.S
19     nasm -I include/ loader.S -o loader.bin 
20 
21 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 
27 #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 
31 #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 
35 #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 
39 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH2)/%.c
40     gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
41 
42 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH3)/%.c
43     gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
44 
45 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH4)/%.c
46     gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@
47 
48 $(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH5)/%.c
49     gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-stack-protector -fno-builtin $< -o $@
50 
51 .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，這個文件以後專門用於存放編譯生成的.o文件。這裡需要註意一個地方，因為考慮到ld鏈接的順序，被依賴的文件應該放在前面。所以這裡需要手動添加鏈接的文件。以後每新增一個.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，我們以後只需要通過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文件拷貝進硬碟並且啟動系統。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醜，不過能用就行了。

三、實現Assert斷言

　　Assert斷言是什麼意思呢？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，什麼意思呢？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，好讓你知道當程式出錯後，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，然後在project/kernel目錄下新建debug.c和debug.h文件。一併如下：

  1 #include "interrupt.h"
  2 #include "stdint.h"
  3 #include "global.h"
  4 #include "io.h"
  5 #include "print.h"
  6 
  7 #define IDT_DESC_CNT 0x81               //目前支持的中斷數
  8 
  9 #define PIC_M_CTRL  0x20                //主片的控制埠是0x20
 10 #define PIC_M_DATA  0x21                //主片的數據埠是0x21
 11 #define PIC_S_CTRL  0xa0                //從片的控制埠是0xa0
 12 #define PIC_S_DATA  0xa1                //從片的數據埠是0xa1
 13 
 14 #define EFLAGS_IF 0x00000200           //eflags寄存器的if位為1
 15 #define GET_EFLAGS(EFLAGS_VAR)    asm volatile("pushfl;  popl %0" : "=g"(EFLAGS_VAR))
 16 
 17 /*中斷門描述符結構體*/
 18 struct gate_desc {
 19     uint16_t func_offet_low_word; 
 20     uint16_t selector;
 21     uint8_t dcount;                 //此項為雙字計數欄位，是門描述符中的第4位元組
 22     uint8_t attribute;
 23     uint16_t func_offet_high_word;
 24 };
 25 
 26 /*定義IDT表*/
 27 static struct gate_desc idt[IDT_DESC_CNT];
 28 extern intr_handler intr_entry_table[IDT_DESC_CNT];
 29 
 30 char *intr_name[IDT_DESC_CNT];                //用於保存異常的名字
 31 intr_handler idt_table[IDT_DESC_CNT];         //定義中斷處理程式數組
 32 
 33 /*通用的中斷處理函數，一般用在異常出現時的處理*/
 34 static void general_intr_handler(uint8_t vec_nr)
 35 {
 36     if (vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f) {
 37         return ;
 38     }
 39 
 40     /*將游標置為0，從屏幕左上角清出一片列印異常信息的區域，方便閱讀*/
 41     set_cursor(0);
 42     int cursor_pos = 0;
 43     while (cursor_pos < 320) {
 44         put_char(' ');
 45         cursor_pos++;
 46     }
 47 
 48     set_cursor(0);
 49     put_str("!!!!!!!!!!!exception message begin!!!!!!!!!");
 50     set_cursor(88);
 51     put_str(intr_name[vec_nr]);
 52     
 53     //如果為pagefault，將缺失的地址列印出來並且懸停
 54     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
 57         put_str("\npage fault addr is: ");put_int(page_fault_vaddr);
 58     }
 59     put_str("!!!!!!!!!!!exception message end!!!!!!!!！!");
 60     //能進入中斷處理程式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，因此下麵的死迴圈可以一直執行
 61     while (1);
 62 }
 63 
 64 /*完成一般中斷處理函數註冊及異常名稱註冊*/
 65 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
 88     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 
 94 /* 初始化可編程中斷控制器8259A */
 95 static void pic_init(void) {
 96    /* 初始化主片 */
 97    outb(PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
 98    outb(PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中斷向量號為0x20,也就是IR[0-7] 為 0x20 ~ 0x27.
 99    outb(PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接從片. 
100    outb(PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式, 正常EOI
101 
102    /* 初始化從片 */
103    outb(PIC_S_CTRL, 0x11);    // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
104    outb(PIC_S_DATA, 0x28);    // ICW2: 起始中斷向量號為0x28,也就是IR[8-15] 為 0x28 ~ 0x2F.
105    outb(PIC_S_DATA, 0x02);    // ICW3: 設置從片連接到主片的IR2引腳
106    outb(PIC_S_DATA, 0x01);    // ICW4: 8086模式, 正常EOI
107    
108    /*打開鍵盤和時鐘中斷*/
109    outb(PIC_M_DATA, 0xfc);
110    outb(PIC_S_DATA, 0xff);
111 
112    put_str("pic_init done\n");
113 }
114 
115 
116 /*創建中斷門描述符*/
117 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 
126 /*初始化中斷描述符表*/
127 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 
134     /* 單獨處理系統調用，系統調用對應的中斷門dpl為3
135        中斷處理程式為單獨的syscall_handler */
136     //make_idt_desc(&idt[0x80], IDT_DESC_ATTR_DPL3, syscall_handler);
137     put_str("ide_desc_init done\n");
138 }
139 
140 /*完成中斷有關的所有初始化工作*/
141 void idt_init(void)
142 {
143     put_str("idt_init start\n");
144     idt_desc_init();
145     exception_init();
146     pic_init();
147 
148     /*載入idt*/
149     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 
154 
155 /*在中斷處理程式數組第vector_no個元素中註冊安裝中斷處理程式*/
156 void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function)
157 {
158     idt_table[vector_no] = function;
159 }
160 
161 
162 /*開中斷，並且返回開中斷前的狀態*/
163 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
172         return old_status;
173     }
174 }
175 
176 /*關中斷，並且返回關中斷前的狀態*/
177 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 
190 /*將中斷狀態設置為status*/
191 enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status)
192 {
193     return status & INTR_ON ? intr_enable() : intr_disable();
194 }
195 
196 /*獲取當前中斷狀態*/
197 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、實現字元串操作函數

　　這個沒什麼好說的，就是一些基本的字元串操作函數，為方便後面的使用。在project/lib/kernel目錄下新建string.c和string.h文件，代碼如下：

 1 #include "string.h"
 2 #include "global.h"
 3 #include "debug.h"
 4 
 5 /*將dst_起始的size個位元組置為value*/
 6 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 
14 /*將src_起始的size個位元組複製到dst_*/
15 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 
24 /*連續比較以地址a_和地址b_開頭的size個位元組，若相等則返回0，若a_大於b_，返回+1，否則返回-1*/
25 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)
3