847 lines
33 KiB
Markdown
847 lines
33 KiB
Markdown
|
||
|
||
因收到Google相关通知，网站将会择期关闭。相关通知内容
|
||
|
||
|
||
13 第一个C函数：如何实现板级初始化？
|
||
你好，我是LMOS。
|
||
|
||
前面三节课，我们为调用Cosmos的第一个C函数hal_start做了大量工作。这节课我们要让操作系统Cosmos里的第一个C函数真正跑起来啦，也就是说，我们会真正进入到我们的内核中。
|
||
|
||
今天我们会继续在这个hal_start函数里，首先执行板级初始化，其实就是hal层（硬件抽象层，下同）初始化，其中执行了平台初始化，hal层的内存初始化，中断初始化，最后进入到内核层的初始化。
|
||
|
||
这节课的配套代码，你可以从这里下载。
|
||
|
||
第一个C函数
|
||
|
||
任何软件工程，第一个函数总是简单的，因为它是总调用者，像是一个管理者，坐在那里发号施令，自己却是啥活也不干。
|
||
|
||
由于这是第一个C函数，也是初始化函数，我们还是要为它单独建立一个文件，以显示对它的尊重，依然在Cosmos/hal/x86/下建立一个hal_start.c文件。写上这样一个函数。
|
||
|
||
void hal_start()
|
||
{
|
||
//第一步：初始化hal层
|
||
//第二步：初始化内核层
|
||
for(;;);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
根据前面的设计，Cosmos是有hal层和内核层之分，所以在上述代码中，要分两步走。第一步是初始化hal层；第二步，初始化内核层。只是这两步的函数我们还没有写。
|
||
|
||
然而最后的死循环却有点奇怪，其实它的目的很简单，就是避免这个函数返回，因为这个返回了就无处可去，避免走回头路。
|
||
|
||
hal层初始化
|
||
|
||
为了分离硬件的特性，我们设计了hal层，把硬件相关的操作集中在这个层，并向上提供接口，目的是让内核上层不用关注硬件相关的细节，也能方便以后移植和扩展。(关于hal层的设计，可以回顾第3节课)
|
||
|
||
也许今天我们是在x86平台上写Cosmos，明天就要在ARM平台上开发Cosmos，那时我们就可以写个ARM平台的hal层，来替换Cosmos中的x86平台的hal层。
|
||
|
||
下面我们在Cosmos/hal/x86/下建立一个halinit.c文件，写出hal层的初始化函数。
|
||
|
||
void init_hal()
|
||
{
|
||
//初始化平台
|
||
//初始化内存
|
||
//初始化中断
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
这个函数也是一个调用者，没怎么干活。不过根据代码的注释能看出，它调用的函数多一点，但主要是完成初始化平台、初始化内存、初始化中断的功能函数。
|
||
|
||
初始化平台
|
||
|
||
我们先来写好平台初始化函数，因为它需要最先被调用。
|
||
|
||
这个函数主要负责完成两个任务，一是把二级引导器建立的机器信息结构复制到hal层中的一个全局变量中，方便内核中的其它代码使用里面的信息，之后二级引导器建立的数据所占用的内存都会被释放。二是要初始化图形显示驱动，内核在运行过程要在屏幕上输出信息。
|
||
|
||
下面我们在Cosmos/hal/x86/下建立一个halplatform.c文件，写上如下代码。
|
||
|
||
void machbstart_t_init(machbstart_t *initp)
|
||
{
|
||
//清零
|
||
memset(initp, 0, sizeof(machbstart_t));
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
void init_machbstart()
|
||
{
|
||
machbstart_t *kmbsp = &kmachbsp;
|
||
machbstart_t *smbsp = MBSPADR;//物理地址1MB处
|
||
machbstart_t_init(kmbsp);
|
||
//复制，要把地址转换成虚拟地址
|
||
memcopy((void *)phyadr_to_viradr((adr_t)smbsp), (void *)kmbsp, sizeof(machbstart_t));
|
||
return;
|
||
}
|
||
//平台初始化函数
|
||
void init_halplaltform()
|
||
{
|
||
//复制机器信息结构
|
||
init_machbstart();
|
||
//初始化图形显示驱动
|
||
init_bdvideo();
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
这个代码中别的地方很好理解，就是kmachbsp你可能会有点奇怪，它是个结构体变量，结构体类型是machbstart_t，这个结构和二级引导器所使用的一模一样。
|
||
|
||
同时，它还是一个hal层的全局变量，我们想专门有个文件定义所有hal层的全局变量，于是我们在Cosmos/hal/x86/下建立一个halglobal.c文件，写上如下代码。
|
||
|
||
//全局变量定义变量放在data段
|
||
#define HAL_DEFGLOB_VARIABLE(vartype,varname) \
|
||
EXTERN __attribute__((section(".data"))) vartype varname
|
||
|
||
HAL_DEFGLOB_VARIABLE(machbstart_t,kmachbsp);
|
||
|
||
|
||
前面的EXTERN，在halglobal.c文件中定义为空，而在其它文件中定义为extern，告诉编译器这是外部文件的变量，避免发生错误。
|
||
|
||
下面，我们在Cosmos/hal/x86/下的bdvideo.c文件中，写好init_bdvideo函数。
|
||
|
||
void init_bdvideo()
|
||
{
|
||
dftgraph_t *kghp = &kdftgh;
|
||
//初始化图形数据结构，里面放有图形模式，分辨率，图形驱动函数指针
|
||
init_dftgraph();
|
||
//初始bga图形显卡的函数指针
|
||
init_bga();
|
||
//初始vbe图形显卡的函数指针
|
||
init_vbe();
|
||
//清空屏幕 为黑色
|
||
fill_graph(kghp, BGRA(0, 0, 0));
|
||
//显示背景图片
|
||
set_charsdxwflush(0, 0);
|
||
hal_background();
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
init_dftgraph()函数初始了dftgraph_t结构体类型的变量kdftgh，我们在halglobal.c文件中定义这个变量，结构类型我们这样来定义。
|
||
|
||
typedef struct s_DFTGRAPH
|
||
{
|
||
u64_t gh_mode; //图形模式
|
||
u64_t gh_x; //水平像素点
|
||
u64_t gh_y; //垂直像素点
|
||
u64_t gh_framphyadr; //显存物理地址
|
||
u64_t gh_fvrmphyadr; //显存虚拟地址
|
||
u64_t gh_fvrmsz; //显存大小
|
||
u64_t gh_onepixbits; //一个像素字占用的数据位数
|
||
u64_t gh_onepixbyte;
|
||
u64_t gh_vbemodenr; //vbe模式号
|
||
u64_t gh_bank; //显存的bank数
|
||
u64_t gh_curdipbnk; //当前bank
|
||
u64_t gh_nextbnk; //下一个bank
|
||
u64_t gh_banksz; //bank大小
|
||
u64_t gh_fontadr; //字库地址
|
||
u64_t gh_fontsz; //字库大小
|
||
u64_t gh_fnthight; //字体高度
|
||
u64_t gh_nxtcharsx; //下一字符显示的x坐标
|
||
u64_t gh_nxtcharsy; //下一字符显示的y坐标
|
||
u64_t gh_linesz; //字符行高
|
||
pixl_t gh_deffontpx; //默认字体大小
|
||
u64_t gh_chardxw;
|
||
u64_t gh_flush;
|
||
u64_t gh_framnr;
|
||
u64_t gh_fshdata; //刷新相关的
|
||
dftghops_t gh_opfun; //图形驱动操作函数指针结构体
|
||
}dftgraph_t;
|
||
typedef struct s_DFTGHOPS
|
||
{
|
||
//读写显存数据
|
||
size_t (*dgo_read)(void* ghpdev,void* outp,size_t rdsz);
|
||
size_t (*dgo_write)(void* ghpdev,void* inp,size_t wesz);
|
||
sint_t (*dgo_ioctrl)(void* ghpdev,void* outp,uint_t iocode);
|
||
//刷新
|
||
void (*dgo_flush)(void* ghpdev);
|
||
sint_t (*dgo_set_bank)(void* ghpdev, sint_t bnr);
|
||
//读写像素
|
||
pixl_t (*dgo_readpix)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
|
||
void (*dgo_writepix)(void* ghpdev,pixl_t pix,uint_t x,uint_t y);
|
||
//直接读写像素
|
||
pixl_t (*dgo_dxreadpix)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
|
||
void (*dgo_dxwritepix)(void* ghpdev,pixl_t pix,uint_t x,uint_t y);
|
||
//设置x，y坐标和偏移
|
||
sint_t (*dgo_set_xy)(void* ghpdev,uint_t x,uint_t y);
|
||
sint_t (*dgo_set_vwh)(void* ghpdev,uint_t vwt,uint_t vhi);
|
||
sint_t (*dgo_set_xyoffset)(void* ghpdev,uint_t xoff,uint_t yoff);
|
||
//获取x，y坐标和偏移
|
||
sint_t (*dgo_get_xy)(void* ghpdev,uint_t* rx,uint_t* ry);
|
||
sint_t (*dgo_get_vwh)(void* ghpdev,uint_t* rvwt,uint_t* rvhi);
|
||
sint_t (*dgo_get_xyoffset)(void* ghpdev,uint_t* rxoff,uint_t* ryoff);
|
||
}dftghops_t;
|
||
//刷新显存
|
||
void flush_videoram(dftgraph_t *kghp)
|
||
{
|
||
kghp->gh_opfun.dgo_flush(kghp);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
不难发现，我们正是把这些实际的图形驱动函数的地址填入了这个结构体中，然后通过这个结构体，我们就可以调用到相应的函数了。
|
||
|
||
因为写这些函数都是体力活，我已经帮你搞定了，你直接使用就可以。上面的flush_videoram函数已经证明了这一想法。
|
||
|
||
来，我们测试一下，看看结果，我们图形驱动程序初始化会显示背景图片——background.bmp，这是在打包映像文件时包含进去的，你自己可以随时替换，只要是满足1024*768，24位的位图文件就行了。
|
||
|
||
下面我们要把这些函数调用起来：
|
||
|
||
//在halinit.c文件中
|
||
void init_hal()
|
||
{
|
||
init_halplaltform();
|
||
return;
|
||
}
|
||
//在hal_start.c文件中
|
||
void hal_start()
|
||
{
|
||
init_hal();//初始化hal层，其中会调用初始化平台函数，在那里会调用初始化图形驱动
|
||
for(;;);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
接下来，让我们一起make vboxtest，应该很有成就感。一幅风景图呈现在我们面前，上面有Cosmos的版本、编译时间、CPU工作模式，内存大小等数据。这相当一个我们Cosmos的水印信息。
|
||
|
||
|
||
|
||
初始化内存
|
||
|
||
首先，我们在Cosmos/hal/x86/下建立一个halmm.c文件，用于初始化内存，为了后面的内存管理器作好准备。
|
||
|
||
hal层的内存初始化比较容易，只要向内存管理器提供内存空间布局信息就可以。
|
||
|
||
你可能在想，不对啊，明明我们在二级引导器中已经获取了内存布局信息，是的，但Cosmos的内存管理器需要保存更多的信息，最好是顺序的内存布局信息，这样可以增加额外的功能属性，同时降低代码的复杂度。
|
||
|
||
不难发现，BIOS提供的结构无法满足前面这些要求。不过我们也有办法解决，只要以BIOS提供的结构为基础，设计一套新的数据结构就搞定了。这个结构可以这样设计。
|
||
|
||
#define PMR_T_OSAPUSERRAM 1
|
||
#define PMR_T_RESERVRAM 2
|
||
#define PMR_T_HWUSERRAM 8
|
||
#define PMR_T_ARACONRAM 0xf
|
||
#define PMR_T_BUGRAM 0xff
|
||
#define PMR_F_X86_32 (1<<0)
|
||
#define PMR_F_X86_64 (1<<1)
|
||
#define PMR_F_ARM_32 (1<<2)
|
||
#define PMR_F_ARM_64 (1<<3)
|
||
#define PMR_F_HAL_MASK 0xff
|
||
|
||
typedef struct s_PHYMMARGE
|
||
{
|
||
spinlock_t pmr_lock;//保护这个结构是自旋锁
|
||
u32_t pmr_type; //内存地址空间类型
|
||
u32_t pmr_stype;
|
||
u32_t pmr_dtype; //内存地址空间的子类型，见上面的宏
|
||
u32_t pmr_flgs; //结构的标志与状态
|
||
u32_t pmr_stus;
|
||
u64_t pmr_saddr; //内存空间的开始地址
|
||
u64_t pmr_lsize; //内存空间的大小
|
||
u64_t pmr_end; //内存空间的结束地址
|
||
u64_t pmr_rrvmsaddr;//内存保留空间的开始地址
|
||
u64_t pmr_rrvmend; //内存保留空间的结束地址
|
||
void* pmr_prip; //结构的私有数据指针，以后扩展所用
|
||
void* pmr_extp; //结构的扩展数据指针，以后扩展所用
|
||
}phymmarge_t;
|
||
|
||
|
||
有些情况下内核要另起炉灶，不想把所有的内存空间都交给内存管理器去管理，所以要保留一部分内存空间，这就是上面结构中那两个pmr_rrvmsaddr、pmr_rrvmend字段的作用。
|
||
|
||
有了数据结构，我们还要写代码来操作它：
|
||
|
||
u64_t initpmrge_core(e820map_t *e8sp, u64_t e8nr, phymmarge_t *pmargesp)
|
||
{
|
||
u64_t retnr = 0;
|
||
for (u64_t i = 0; i < e8nr; i++)
|
||
{
|
||
//根据一个e820map_t结构建立一个phymmarge_t结构
|
||
if (init_one_pmrge(&e8sp[i], &pmargesp[i]) == FALSE)
|
||
{
|
||
return retnr;
|
||
}
|
||
retnr++;
|
||
}
|
||
return retnr;
|
||
}
|
||
void init_phymmarge()
|
||
{
|
||
machbstart_t *mbsp = &kmachbsp;
|
||
phymmarge_t *pmarge_adr = NULL;
|
||
u64_t pmrgesz = 0;
|
||
//根据machbstart_t机器信息结构计算获得phymmarge_t结构的开始地址和大小
|
||
ret_phymmarge_adrandsz(mbsp, &pmarge_adr, &pmrgesz);
|
||
u64_t tmppmrphyadr = mbsp->mb_nextwtpadr;
|
||
e820map_t *e8p = (e820map_t *)((adr_t)(mbsp->mb_e820padr));
|
||
//建立phymmarge_t结构
|
||
u64_t ipmgnr = initpmrge_core(e8p, mbsp->mb_e820nr, pmarge_adr);
|
||
//把phymmarge_t结构的地址大小个数保存machbstart_t机器信息结构中
|
||
mbsp->mb_e820expadr = tmppmrphyadr;
|
||
mbsp->mb_e820exnr = ipmgnr;
|
||
mbsp->mb_e820exsz = ipmgnr * sizeof(phymmarge_t);
|
||
mbsp->mb_nextwtpadr = PAGE_ALIGN(mbsp->mb_e820expadr + mbsp->mb_e820exsz);
|
||
//phymmarge_t结构中地址空间从低到高进行排序，我已经帮你写好了
|
||
phymmarge_sort(pmarge_adr, ipmgnr);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
结合上面的代码，你会发现这是根据e820map_t结构数组，建立了一个phymmarge_t结构数组，init_one_pmrge函数正是把e820map_t结构中的信息复制到phymmarge_t结构中来。理解了这个原理，即使不看我的，你自己也会写。
|
||
|
||
下面我们把这些函数，用一个总管函数调动起来，这个总管函数叫什么名字好呢？当然是init_halmm，如下所示。
|
||
|
||
void init_halmm()
|
||
{
|
||
init_phymmarge();
|
||
//init_memmgr();
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
这里init_halmm函数中还调用了init_memmgr函数，这个正是这我们内存管理器初始化函数，我会在内存管理的那节课展开讲。而init_halmm函数将要被init_hal函数调用。
|
||
|
||
初始化中断
|
||
|
||
什么是中断呢？为了帮你快速理解，我们先来看两种情景：
|
||
|
||
|
||
你在开车时，突然汽车引擎坏了，你需要修复它才能继续驾驶汽车……
|
||
你在外旅游，你女朋友突然来电话了，你可以选择接电话或者不接电话，当然不接电话的后果很严重（笑）……
|
||
|
||
|
||
在以上两种情景中，虽然不十分恰当，但都是在做一件事时，因为一些原因而要切换到另一件事上。其实计算机中的CPU也是一样，在做一件事时，因为一些原因要转而做另一件事，于是中断产生了……
|
||
|
||
根据原因的类型不同，中断被分为两类。
|
||
|
||
异常，这是同步的，原因是错误和故障，就像汽车引擎坏了。不修复错误就不能继续运行，所以这时，CPU会跳到这种错误的处理代码那里开始运行，运行完了会返回。
|
||
|
||
为啥说它是同步的呢？这是因为如果不修改程序中的错误，下次运行程序到这里同样会发生异常。
|
||
|
||
中断，这是异步的，我们通常说的中断就是这种类型，它是因为外部事件而产生的，就好像旅游时女朋友来电话了。通常设备需要CPU关注时，会给CPU发送一个中断信号，所以这时CPU会跳到处理这种事件的代码那里开始运行，运行完了会返回。
|
||
|
||
由于不确定何种设备何时发出这种中断信号，所以它是异步的。
|
||
|
||
在x86 CPU上，最多支持256个中断，还记得前面所说的中断表和中断门描述符吗，这意味着我们要准备256个中断门描述符和256个中断处理程序的入口。
|
||
|
||
下面我们来定义它，如下所示：
|
||
|
||
typedef struct s_GATE
|
||
{
|
||
u16_t offset_low; /* 偏移 */
|
||
u16_t selector; /* 段选择子 */
|
||
u8_t dcount; /* 该字段只在调用门描述符中有效。如果在利用调用门调用子程序时引起特权级的转换和堆栈的改变，需要将外层堆栈中的参数复制到内层堆栈。该双字计数字段就是用于说明这种情况发生时，要复制的双字参数的数量。*/
|
||
u8_t attr; /* P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) */
|
||
u16_t offset_high; /* 偏移的高位段 */
|
||
u32_t offset_high_h;
|
||
u32_t offset_resv;
|
||
}__attribute__((packed)) gate_t;
|
||
//定义中断表
|
||
HAL_DEFGLOB_VARIABLE(gate_t,x64_idt)[IDTMAX];
|
||
|
||
|
||
说到这里你会发现，中断表其实是个gate_t结构的数组，由CPU的IDTR寄存器指向，IDTMAX为256。
|
||
|
||
但是光有数组还不行，还要设置其中的数据，下面我们就来设计这个函数，建立一个文件halsgdidt.c，在其中写一个函数，代码如下。
|
||
|
||
//vector 向量也是中断号
|
||
//desc_type 中断门类型，中断门，陷阱门
|
||
//handler 中断处理程序的入口地址
|
||
//privilege 中断门的权限级别
|
||
void set_idt_desc(u8_t vector, u8_t desc_type, inthandler_t handler, u8_t privilege)
|
||
{
|
||
gate_t *p_gate = &x64_idt[vector];
|
||
u64_t base = (u64_t)handler;
|
||
p_gate->offset_low = base & 0xFFFF;
|
||
p_gate->selector = SELECTOR_KERNEL_CS;
|
||
p_gate->dcount = 0;
|
||
p_gate->attr = (u8_t)(desc_type | (privilege << 5));
|
||
p_gate->offset_high = (u16_t)((base >> 16) & 0xFFFF);
|
||
p_gate->offset_high_h = (u32_t)((base >> 32) & 0xffffffff);
|
||
p_gate->offset_resv = 0;
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
上面的代码，正是按照要求，把这些数据填入中断门描述符中的。有了中断门之后，还差中断入口处理程序，中断入口处理程序只负责这三件事：
|
||
|
||
1.保护CPU 寄存器，即中断发生时的程序运行的上下文。-
|
||
2.调用中断处理程序，这个程序可以是修复异常的，可以是设备驱动程序中对设备响应的程序。-
|
||
3.恢复CPU寄存器，即恢复中断时程序运行的上下文，使程序继续运行。
|
||
|
||
以上这些操作又要用汇编代码才可以编写，我觉得这是内核中最重要的部分，所以我们建立一个文件，并用kernel.asm命名。
|
||
|
||
我们先来写好完成以上三个功能的汇编宏代码，避免写256遍同样的代码，代码如下所示。
|
||
|
||
//保存中断后的寄存器
|
||
%macro SAVEALL 0
|
||
push rax
|
||
push rbx
|
||
push rcx
|
||
push rdx
|
||
push rbp
|
||
push rsi
|
||
push rdi
|
||
push r8
|
||
push r9
|
||
push r10
|
||
push r11
|
||
push r12
|
||
push r13
|
||
push r14
|
||
push r15
|
||
xor r14,r14
|
||
mov r14w,ds
|
||
push r14
|
||
mov r14w,es
|
||
push r14
|
||
mov r14w,fs
|
||
push r14
|
||
mov r14w,gs
|
||
push r14
|
||
%endmacro
|
||
//恢复中断后寄存器
|
||
%macro RESTOREALL 0
|
||
pop r14
|
||
mov gs,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov fs,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov es,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov ds,r14w
|
||
pop r15
|
||
pop r14
|
||
pop r13
|
||
pop r12
|
||
pop r11
|
||
pop r10
|
||
pop r9
|
||
pop r8
|
||
pop rdi
|
||
pop rsi
|
||
pop rbp
|
||
pop rdx
|
||
pop rcx
|
||
pop rbx
|
||
pop rax
|
||
iretq
|
||
%endmacro
|
||
//保存异常下的寄存器
|
||
%macro SAVEALLFAULT 0
|
||
push rax
|
||
push rbx
|
||
push rcx
|
||
push rdx
|
||
push rbp
|
||
push rsi
|
||
push rdi
|
||
push r8
|
||
push r9
|
||
push r10
|
||
push r11
|
||
push r12
|
||
push r13
|
||
push r14
|
||
push r15
|
||
xor r14,r14
|
||
mov r14w,ds
|
||
push r14
|
||
mov r14w,es
|
||
push r14
|
||
mov r14w,fs
|
||
push r14
|
||
mov r14w,gs
|
||
push r14
|
||
%endmacro
|
||
//恢复异常下寄存器
|
||
%macro RESTOREALLFAULT 0
|
||
pop r14
|
||
mov gs,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov fs,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov es,r14w
|
||
pop r14
|
||
mov ds,r14w
|
||
pop r15
|
||
pop r14
|
||
pop r13
|
||
pop r12
|
||
pop r11
|
||
pop r10
|
||
pop r9
|
||
pop r8
|
||
pop rdi
|
||
pop rsi
|
||
pop rbp
|
||
pop rdx
|
||
pop rcx
|
||
pop rbx
|
||
pop rax
|
||
add rsp,8
|
||
iretq
|
||
%endmacro
|
||
//没有错误码CPU异常
|
||
%macro SRFTFAULT 1
|
||
push _NOERRO_CODE
|
||
SAVEALLFAULT
|
||
mov r14w,0x10
|
||
mov ds,r14w
|
||
mov es,r14w
|
||
mov fs,r14w
|
||
mov gs,r14w
|
||
mov rdi,%1 ;rdi, rsi
|
||
mov rsi,rsp
|
||
call hal_fault_allocator
|
||
RESTOREALLFAULT
|
||
%endmacro
|
||
//CPU异常
|
||
%macro SRFTFAULT_ECODE 1
|
||
SAVEALLFAULT
|
||
mov r14w,0x10
|
||
mov ds,r14w
|
||
mov es,r14w
|
||
mov fs,r14w
|
||
mov gs,r14w
|
||
mov rdi,%1
|
||
mov rsi,rsp
|
||
call hal_fault_allocator
|
||
RESTOREALLFAULT
|
||
%endmacro
|
||
//硬件中断
|
||
%macro HARWINT 1
|
||
SAVEALL
|
||
mov r14w,0x10
|
||
mov ds,r14w
|
||
mov es,r14w
|
||
mov fs,r14w
|
||
mov gs,r14w
|
||
mov rdi, %1
|
||
mov rsi,rsp
|
||
call hal_intpt_allocator
|
||
RESTOREALL
|
||
%endmacro
|
||
|
||
|
||
别看前面的代码这么长，其实最重要的只有两个指令：push、pop，这两个正是用来压入寄存器和弹出寄存器的，正好可以用来保存和恢复CPU所有的通用寄存器。
|
||
|
||
有的CPU异常，CPU自动把异常码压入到栈中，而有的CPU异常没有异常码，为了统一，我们对没有异常码的手动压入一个常数，维持栈的平衡。
|
||
|
||
有了中断异常处理的宏，我们还要它们变成中断异常的处理程序入口点函数。汇编函数其实就是一个标号加一段汇编代码，C编译器把C语言函数编译成汇编代码后，也是标号加汇编代码，函数名就是标号。
|
||
|
||
下面我们在kernel.asm中写好它们：
|
||
|
||
//除法错误异常 比如除0
|
||
exc_divide_error:
|
||
SRFTFAULT 0
|
||
//单步执行异常
|
||
exc_single_step_exception:
|
||
SRFTFAULT 1
|
||
exc_nmi:
|
||
SRFTFAULT 2
|
||
//调试断点异常
|
||
exc_breakpoint_exception:
|
||
SRFTFAULT 3
|
||
//溢出异常
|
||
exc_overflow:
|
||
SRFTFAULT 4
|
||
//段不存在异常
|
||
exc_segment_not_present:
|
||
SRFTFAULT_ECODE 11
|
||
//栈异常
|
||
exc_stack_exception:
|
||
SRFTFAULT_ECODE 12
|
||
//通用异常
|
||
exc_general_protection:
|
||
SRFTFAULT_ECODE 13
|
||
//缺页异常
|
||
exc_page_fault:
|
||
SRFTFAULT_ECODE 14
|
||
hxi_exc_general_intpfault:
|
||
SRFTFAULT 256
|
||
//硬件1～7号中断
|
||
hxi_hwint00:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+0)
|
||
hxi_hwint01:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+1)
|
||
hxi_hwint02:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+2)
|
||
hxi_hwint03:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+3)
|
||
hxi_hwint04:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+4)
|
||
hxi_hwint05:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+5)
|
||
hxi_hwint06:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+6)
|
||
hxi_hwint07:
|
||
HARWINT (INT_VECTOR_IRQ0+7)
|
||
|
||
|
||
为了突出重点，这里没有全部展示代码 ，你只用搞清原理就行了。那有了中断处理程序的入口地址，下面我们就可以在halsgdidt.c文件写出函数设置中断门描述符了，代码如下。
|
||
|
||
void init_idt_descriptor()
|
||
{
|
||
//一开始把所有中断的处理程序设置为保留的通用处理程序
|
||
for (u16_t intindx = 0; intindx <= 255; intindx++)
|
||
{
|
||
set_idt_desc((u8_t)intindx, DA_386IGate, hxi_exc_general_intpfault, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
}
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_DIVIDE, DA_386IGate, exc_divide_error, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_DEBUG, DA_386IGate, exc_single_step_exception, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_NMI, DA_386IGate, exc_nmi, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_BREAKPOINT, DA_386IGate, exc_breakpoint_exception, PRIVILEGE_USER);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_OVERFLOW, DA_386IGate, exc_overflow, PRIVILEGE_USER);
|
||
//篇幅所限，未全部展示
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_PAGE_FAULT, DA_386IGate, exc_page_fault, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 0, DA_386IGate, hxi_hwint00, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 1, DA_386IGate, hxi_hwint01, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 2, DA_386IGate, hxi_hwint02, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
set_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 3, DA_386IGate, hxi_hwint03, PRIVILEGE_KRNL);
|
||
//篇幅所限，未全部展示
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
上面的代码已经很明显了，一开始把所有中断的处理程序设置为保留的通用处理程序，避免未知中断异常发生了CPU无处可去，然后对已知的中断和异常进一步设置，这会覆盖之前的通用处理程序，这样就可以确保万无一失。
|
||
|
||
下面我们把这些代码整理一下，安装到具体的调用路径上，让上层调用者调用到就好了。
|
||
|
||
我们依然在halintupt.c文件中写上init_halintupt()函数：
|
||
|
||
void init_halintupt()
|
||
{
|
||
init_idt_descriptor();
|
||
init_intfltdsc();
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
到此为止，CPU体系层面的中断就初始化完成了。你会发现，我们在init_halintupt()函数中还调用了init_intfltdsc()函数，这个函数是干什么的呢？请往下看。
|
||
|
||
我们先来设计一下Cosmos的中断处理框架，后面我们把中断和异常统称为中断，因为它们的处理方式相同。
|
||
|
||
前面我们只是解决了中断的CPU相关部分，而CPU只是响应中断，但是并不能解决产生中断的问题。
|
||
|
||
比如缺页中断来了，我们要解决内存地址映射关系，程序才可以继续运行。再比如硬盘中断来了，我们要读取硬盘的数据，要处理这问题，就要写好相应的处理函数。
|
||
|
||
因为有些处理是内核所提供的，而有些处理函数是设备驱动提供的，想让它们和中断关联起来，就要好好设计中断处理框架了。
|
||
|
||
下面我们来画幅图，描述中断框架的设计：
|
||
|
||
|
||
|
||
可以看到，中断、异常分发器的左侧的东西我们已经处理完成，下面需要写好中断、异常分发器和中断异常描述符。
|
||
|
||
我们先来搞定中断异常描述，结合框架图，中断异常描述也是个表，它在C语言中就是个结构数组，让我们一起来写好这个数组：
|
||
|
||
typedef struct s_INTFLTDSC{
|
||
spinlock_t i_lock;
|
||
u32_t i_flg;
|
||
u32_t i_stus;
|
||
uint_t i_prity; //中断优先级
|
||
uint_t i_irqnr; //中断号
|
||
uint_t i_deep; //中断嵌套深度
|
||
u64_t i_indx; //中断计数
|
||
list_h_t i_serlist; //也可以使用中断回调函数的方式
|
||
uint_t i_sernr; //中断回调函数个数
|
||
list_h_t i_serthrdlst; //中断线程链表头
|
||
uint_t i_serthrdnr; //中断线程个数
|
||
void* i_onethread; //只有一个中断线程时直接用指针
|
||
void* i_rbtreeroot; //如果中断线程太多则按优先级组成红黑树
|
||
list_h_t i_serfisrlst;
|
||
uint_t i_serfisrnr;
|
||
void* i_msgmpool; //可能的中断消息池
|
||
void* i_privp;
|
||
void* i_extp;
|
||
}intfltdsc_t;
|
||
|
||
|
||
上面结构中，记录了中断的优先级。因为有些中断可以稍后执行，而有的中断需要紧急执行，所以要设计一个优先级。其中还有中断号，中断计数等统计信息。
|
||
|
||
中断可以由线程的方式执行，也可以是一个回调函数，该函数的地址放另一个结构体中，这个结构体我已经帮你写好了，如下所示。
|
||
|
||
typedef drvstus_t (*intflthandle_t)(uint_t ift_nr,void* device,void* sframe); //中断处理函数的指针类型
|
||
typedef struct s_INTSERDSC{
|
||
list_h_t s_list; //在中断异常描述符中的链表
|
||
list_h_t s_indevlst; //在设备描述描述符中的链表
|
||
u32_t s_flg;
|
||
intfltdsc_t* s_intfltp; //指向中断异常描述符
|
||
void* s_device; //指向设备描述符
|
||
uint_t s_indx;
|
||
intflthandle_t s_handle; //中断处理的回调函数指针
|
||
}intserdsc_t;
|
||
|
||
|
||
如果内核或者设备驱动程序要安装一个中断处理函数，就要先申请一个intserdsc_t结构体，然后把中断函数的地址写入其中，最后把这个结构挂载到对应的intfltdsc_t结构中的i_serlist链表中。
|
||
|
||
你可能要问了，为什么不能直接把中断处理函数放在intfltdsc_t结构中呢，还要多此一举搞个intserdsc_t结构体呢？
|
||
|
||
这是因为我们的计算机中可能有很多设备，每个设备都可能产生中断，但是中断控制器的中断信号线是有限的。你可以这样理解：中断控制器最多只能产生几十号中断号，而设备不止几十个，所以会有多个设备共享一根中断信号线。
|
||
|
||
这就导致一个中断发生后，无法确定是哪个设备产生的中断，所以我们干脆让设备驱动程序来决定，因为它是最了解设备的。
|
||
|
||
这里我们让这个intfltdsc_t结构上的所有中断处理函数都依次执行，查看是不是自己的设备产生了中断，如果是就处理，不是则略过。
|
||
|
||
好，明白了这两个结构之后，我们就要开始初始化了。首先是在halglobal.c文件定义intfltdsc_t结构。
|
||
|
||
//定义intfltdsc_t结构数组大小为256
|
||
HAL_DEFGLOB_VARIABLE(intfltdsc_t,machintflt)[IDTMAX];
|
||
|
||
|
||
下面我们再来实现中断、异常分发器函数，如下所示。
|
||
|
||
//中断处理函数
|
||
void hal_do_hwint(uint_t intnumb, void *krnlsframp)
|
||
{
|
||
intfltdsc_t *ifdscp = NULL;
|
||
cpuflg_t cpuflg;
|
||
//根据中断号获取中断异常描述符地址
|
||
ifdscp = hal_retn_intfltdsc(intnumb);
|
||
//对断异常描述符加锁并中断
|
||
hal_spinlock_saveflg_cli(&ifdscp->i_lock, &cpuflg);
|
||
ifdscp->i_indx++;
|
||
ifdscp->i_deep++;
|
||
//运行中断处理的回调函数
|
||
hal_run_intflthandle(intnumb, krnlsframp);
|
||
ifdscp->i_deep--;
|
||
//解锁并恢复中断状态
|
||
hal_spinunlock_restflg_sti(&ifdscp->i_lock, &cpuflg);
|
||
return;
|
||
}
|
||
//异常分发器
|
||
void hal_fault_allocator(uint_t faultnumb, void *krnlsframp)
|
||
{
|
||
//我们的异常处理回调函数也是放在中断异常描述符中的
|
||
hal_do_hwint(faultnumb, krnlsframp);
|
||
return;
|
||
}
|
||
//中断分发器
|
||
void hal_hwint_allocator(uint_t intnumb, void *krnlsframp)
|
||
{
|
||
hal_do_hwint(intnumb, krnlsframp);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
前面的代码确实是按照我们的中断框架设计实现的，下面我们去实现hal_run_intflthandle函数，它负责调用中断处理的回调函数。
|
||
|
||
void hal_run_intflthandle(uint_t ifdnr, void *sframe)
|
||
{
|
||
intserdsc_t *isdscp;
|
||
list_h_t *lst;
|
||
//根据中断号获取中断异常描述符地址
|
||
intfltdsc_t *ifdscp = hal_retn_intfltdsc(ifdnr);
|
||
//遍历i_serlist链表
|
||
list_for_each(lst, &ifdscp->i_serlist)
|
||
{
|
||
//获取i_serlist链表上对象即intserdsc_t结构
|
||
isdscp = list_entry(lst, intserdsc_t, s_list);
|
||
//调用中断处理回调函数
|
||
isdscp->s_handle(ifdnr, isdscp->s_device, sframe);
|
||
}
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
上述代码已经很清楚了，循环遍历intfltdsc_t结构中，i_serlist链表上所有挂载的intserdsc_t结构，然后调用intserdsc_t结构中的中断处理的回调函数。
|
||
|
||
我们Cosmos链表借用了Linux所用的链表，代码我已经帮你写好了，放在了list.h和list_t.h文件中，请自行查看。
|
||
|
||
初始化中断控制器
|
||
|
||
我们把CPU端的中断搞定了以后，还有设备端的中断，这个可以交给设备驱动程序，但是CPU和设备之间的中断控制器，还需要我们出面解决。
|
||
|
||
多个设备的中断信号线都会连接到中断控制器上，中断控制器可以决定启用或者屏蔽哪些设备的中断，还可以决定设备中断之间的优先线，所以它才叫中断控制器。
|
||
|
||
x86平台上的中断控制器有多种，最开始是8259A，然后是IOAPIC，最新的是MSI-X。为了简单的说明原理，我们选择了8259A中断控制器。
|
||
|
||
8259A在任何x86平台上都可以使用，x86平台使用了两片8259A芯片，以级联的方式存在。它拥有15个中断源（即可以有15个中断信号接入）。让我们看看8259A在系统上的框架图：
|
||
|
||
|
||
|
||
上面直接和CPU连接的是主8259A，下面的是从8259A，每一个8259A芯片都有两个I/O端口，我们可以通过它们对8259A进行编程。主8259A的端口地址是0x20，0x21；从8259A的端口地址是0xA0，0xA1。
|
||
|
||
下面我们来做代码初始化，我们程序员可以向8259A写两种命令字： ICW和OCW；ICW这种命令字用来实现8259a芯片的初始化。而OCW这种命令用来向8259A发布命令，以对其进行控制。OCW可以在8259A被初始化之后的任何时候被使用。
|
||
|
||
我已经把代码定好了，放在了8259.c文件中，如下所示：
|
||
|
||
void init_i8259()
|
||
{
|
||
//初始化主从8259a
|
||
out_u8_p(ZIOPT, ICW1);
|
||
out_u8_p(SIOPT, ICW1);
|
||
out_u8_p(ZIOPT1, ZICW2);
|
||
out_u8_p(SIOPT1, SICW2);
|
||
out_u8_p(ZIOPT1, ZICW3);
|
||
out_u8_p(SIOPT1, SICW3);
|
||
out_u8_p(ZIOPT1, ICW4);
|
||
out_u8_p(SIOPT1, ICW4);
|
||
//屏蔽全部中断源
|
||
out_u8_p(ZIOPT1, 0xff);
|
||
out_u8_p(SIOPT1, 0xff);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
|
||
如果你要了解8259A的细节，就是上述代码中为什么要写入这些数据，你可以自己在Intel官方网站上搜索8259A的数据手册，自行查看。
|
||
|
||
这里你只要在init_halintupt()函数的最后，调用这个函数就行。你有没有想过，既然我们是研究操作系统不是要写硬件驱动，为什么要在初始化中断控制器后，屏蔽所有的中断源呢？因为我们Cosmos在初始化阶段还不能处理中断。
|
||
|
||
到此，我们的Cosmos的hal层初始化就结束了。关于内存管理器的初始化，我会在内存管理模块讲解，你先有个印象就行。
|
||
|
||
进入内核层
|
||
|
||
hal层的初始化已经完成，按照前面的设计，我们的Cosmos还有内核层，我们下面就要进入到内核层，建立一个文件，写上一个函数，作为本课程的结尾。
|
||
|
||
但是这个函数是个空函数，目前什么也不做，它是为Cosmos内核层初始化而存在的，但是由于课程只进行到这里，所以我只是写个空函数，为后面的课程做好准备。
|
||
|
||
由于内核层是从hal层进入的，必须在hal_start()函数中被调用，所以在此完成这个函数——init_krl()。
|
||
|
||
void init_krl()
|
||
{
|
||
//禁止函数返回
|
||
die(0);
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
|
||
下面我们在hal_start()函数中调用它就行了，如下所示
|
||
|
||
void hal_start()
|
||
{
|
||
//初始化Cosmos的hal层
|
||
init_hal();
|
||
//初始化Cosmos的内核层
|
||
init_krl();
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
从上面的代码中，不难发现Cosmos的hal层初始化完成后，就自动进入了Cosmos内核层的初始化。至此本课程已经结束。
|
||
|
||
重点回顾
|
||
|
||
写一个C函数是容易的，但是写操作系统的第一个C函数并不容易，好在我们一路坚持，没有放弃，才取得了这个阶段性的胜利。但温故而知新，对学过的东西要学而时习之，下面我们来回顾一下本课程的重点。
|
||
|
||
1.Cosmos的第一个C函数产生了，它十分简单但极其有意义，它的出现标志着C语言的运行环境已经完善。从此我们可以用C语言高效地开发操作系统了，由爬行时代进入了跑步前行的状态，可喜可贺。
|
||
|
||
2.第一个C函数，干的第一件重要工作就是调用hal层的初始化函数。这个初始化函数首先初始化了平台，初始化了机器信息结构供内核的其它代码使用，还初始化了我们图形显示驱动、显示了背景图片；其次是初始化了内存管理相关的数据结构；接着初始了中断，中断处理框架是两层，所以最为复杂；最后初始化了中断控制器。
|
||
|
||
3.当hal层初始化完成了，我们就进入了内核层，由于到了课程的尾声，我们先暂停在这里。
|
||
|
||
在这节课里我帮你写了很多代码，那些代码非常简单和枯燥，但是必须要有它们才可以。综合我们前面讲过的知识，我相信你有能力看懂它们。
|
||
|
||
思考题
|
||
|
||
请你梳理一下，Cosmos hal层的函数调用关系。
|
||
|
||
欢迎你在留言区跟我交流互动，也欢迎把这节课转发给你的朋友和同事。
|
||
|
||
好，我是LMOS，咱们下节课见！
|
||
|
||
|
||
|
||
|