1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87

;彭东 @ 2021.01.09
MBT_HDR_FLAGS EQU 0x00010003
MBT_HDR_MAGIC EQU 0x1BADB002 ;多引导协议头魔数
MBT_HDR2_MAGIC EQU 0xe85250d6 ;第二版多引导协议头魔数
global _start ;导出_start符号
extern main ;导入外部的main函数符号
[section .start.text] ;定义.start.text代码节
[bits 32] ;汇编成32位代码
_start:
jmp _entry
ALIGN 8
mbt_hdr:
dd MBT_HDR_MAGIC
dd MBT_HDR_FLAGS
dd -(MBT_HDR_MAGIC+MBT_HDR_FLAGS)
dd mbt_hdr
dd _start
dd 0
dd 0
dd _entry
;以上是GRUB所需要的头
ALIGN 8
mbt2_hdr:
DD MBT_HDR2_MAGIC
DD 0
DD mbt2_hdr_end - mbt2_hdr
DD -(MBT_HDR2_MAGIC + 0 + (mbt2_hdr_end - mbt2_hdr))
DW 2, 0
DD 24
DD mbt2_hdr
DD _start
DD 0
DD 0
DW 3, 0
DD 12
DD _entry
DD 0
DW 0, 0
DD 8
mbt2_hdr_end:
;以上是GRUB2所需要的头
;包含两个头是为了同时兼容GRUB、GRUB2
ALIGN 8
_entry:
;关中断
cli
;关不可屏蔽中断
in al, 0x70
or al, 0x80
out 0x70,al
;重新加载GDT
lgdt [GDT_PTR]
jmp dword 0x8 :_32bits_mode
_32bits_mode:
;下面初始化C语言可能会用到的寄存器
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov ss, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
xor eax,eax
xor ebx,ebx
xor ecx,ecx
xor edx,edx
xor edi,edi
xor esi,esi
xor ebp,ebp
xor esp,esp
;初始化栈，C语言需要栈才能工作
mov esp,0x9000
;调用C语言函数main
call main
;让CPU停止执行指令
halt_step:
halt
jmp halt_step
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
k16cd_dsc: dq 0x00009e000000ffff
k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN dw GDT_END-GDT_START-1
GDTBASE dd GDT_START

1
2
3
4
5
6
7

//main.c
#include "vgastr.h"
void main()
{
  printf("Hello OS!");
  return;
} 

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17

// vgsstr.c
void _strwrite(char* string) 
{
    char* p_string = (char*)(oxb8000); //显存开始的地址
    while (*string) 
    {
        *p_string = *string++;
        p_string += 2;
    }
    return;
}

void printf(char* fmt, ...) 
{
    _strwrite(fmt);
    return;
}

1
2
3
4
5
6
7

menuentry 'HelloOS' {
     insmod part_msdos #GRUB加载分区模块识别分区
     insmod ext2 #GRUB加载ext文件系统模块识别ext文件系统
     set root='hd0,msdos4' #注意boot目录挂载的分区(df /boot 查看)
     multiboot2 /boot/HelloOS.bin #GRUB以multiboot2协议加载HelloOS.bin
     boot #GRUB启动HelloOS.bin
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15

data SEGMENT ;定义一个数据段存放Hello World!
    hello  DB 'Hello World!$' ;注意要以$结束
data ENDS
code SEGMENT ;定义一个代码段存放程序指令
    ASSUME CS:CODE,DS:DATA ;告诉汇编程序，DS指向数据段，CS指向代码段
start:
    MOV AX,data  ;将data段首地址赋值给AX                
    MOV DS,AX    ;将AX赋值给DS，使DS指向data段
    LEA DX,hello ;使DX指向hello首地址
    MOV AH,09h   ;给AH设置参数09H，AH是AX高8位，AL是AX低8位，其它类似
    INT 21h      ;执行DOS中断输出DS指向的DX指向的字符串hello
    MOV AX,4C00h ;给AH设置参数4C00h
    INT 21h      ;调用4C00h号功能，结束程序
code ENDS
END start

1
2
3
4
5
6
7
8

GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN  dw GDT_END-GDT_START-1
GDTBASE  dd GDT_START

1

lgdt [GDT_PTR]

1
2
3
4

;开启 PE
mov eax, cr0
bts eax, 0                      ; CR0.PE =1
mov cr0, eax         

1

jmp dword 0x8 :_32bits_mode ;_32bits_mode为32位代码标号即段偏移

1
2
3
4
5
6
7
8

ex64_GDT:
null_dsc:  dq 0
;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
c64_dsc:dq 0x0020980000000000  ;64位代码段
d64_dsc:dq 0x0000920000000000  ;64位数据段
eGdtLen   equ $ - null_dsc  ;GDT长度
eGdtPtr:dw eGdtLen - 1  ;GDT界限
     dq ex64_GDT

1
2
3
4
5

mov eax, cr4
bts eax, 5   ;CR4.PAE = 1
mov cr4, eax ;开启 PAE
mov eax, PAGE_TLB_BADR ;页表物理地址
mov cr3, eax

1

lgdt [eGdtPtr]

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

;开启 64位长模式
mov ecx, IA32_EFER
rdmsr
bts eax, 8  ;IA32_EFER.LME =1
wrmsr
;开启 保护模式和分页模式
mov eax, cr0
bts eax, 0    ;CR0.PE =1
bts eax, 31
mov cr0, eax 

1

jmp 08:entry64 ;entry64为程序标号即64位偏移地址

1
2

mov eax, PGAE_TLB_BADR ;页表物理地址
mov cr3, eax

1
2
3
4
5

;开启保护模式和分页模式
mov eax, cr0
bts eax, 0    ;CR0.PE = 1
bts eax, 31   ;CR0.P = 1
mov cr0, eax

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43

//定义一个原子类型
typedef struct s_ATOMIC{
    volatile s32_t a_count; //在变量前加上volatile，是为了禁止编译器优化，使其每次都从内存中加载变量
}atomic_t;
//原子读
static inline s32_t atomic_read(const atomic_t *v)
{        
        //x86平台取地址处是原子
        return (*(volatile u32_t*)&(v)->a_count);
}
//原子写
static inline void atomic_write(atomic_t *v, int i)
{
        //x86平台把一个值写入一个地址处也是原子的 
        v->a_count = i;
}
//原子加上一个整数
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
        __asm__ __volatile__("lock;" "addl %1,%0"
                     : "+m" (v->a_count)
                     : "ir" (i));
}
//原子减去一个整数
static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
        __asm__ __volatile__("lock;" "subl %1,%0"
                     : "+m" (v->a_count)
                     : "ir" (i));
}
//原子加1
static inline void atomic_inc(atomic_t *v)
{
        __asm__ __volatile__("lock;" "incl %0"
                       : "+m" (v->a_count));
}
//原子减1
static inline void atomic_dec(atomic_t *v)
{
       __asm__ __volatile__("lock;" "decl %0"
                     : "+m" (v->a_count));
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

// 关闭中断
void hal_cli()
{
    __asm__ __volatile__("cli": : :"memory");
}

// 开启中断
void hal_sti()
{
    __asm__ __volatile__("sti": : :"memory");
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14

void foo() 
{
    hal_cli();
    ...
    hal_sti();
}

void bar() 
{
    hal_cli();
    foo();
    ...
    hal_sti();
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

typedef u32_t cpuflg_t;
static inline void hal_save_flags_cli(cpuflg_t* flags)
{
     __asm__ __volatile__(
            "pushfl \t\n" //把eflags寄存器压入当前栈顶
            "cli    \t\n" //关闭中断
            "popl %0 \t\n"//把当前栈顶弹出到eflags为地址的内存中        
            : "=m"(*flags)
            :
            : "memory"
          );
}
static inline void hal_restore_flags_sti(cpuflg_t* flags)
{
    __asm__ __volatile__(
              "pushl %0 \t\n"//把flags为地址处的值寄存器压入当前栈顶
              "popfl \t\n"   //把当前栈顶弹出到eflags寄存器中
              :
              : "m"(*flags)
              : "memory"
              );
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

//自旋锁结构
typedef struct
{
     volatile u32_t lock;//volatile可以防止编译器优化，保证其它代码始终从内存加载lock变量的值 
} spinlock_t;
//锁初始化函数
static inline void x86_spin_lock_init(spinlock_t * lock)
{
     lock->lock = 0;//锁值初始化为0是未加锁状态
}
//加锁函数
static inline void x86_spin_lock(spinlock_t * lock)
{
    __asm__ __volatile__ (
    "1: \n"
    "lock; xchg  %0, %1 \n"//把值为1的寄存器和lock内存中的值进行交换
    "cmpl   $0, %0 \n" //用0和交换回来的值进行比较
    "jnz    2f \n"  //不等于0则跳转后面2标号处运行
    "jmp 3f \n"     //若等于0则跳转后面3标号处返回
    "2:         \n" 
    "cmpl   $0, %1  \n"//用0和lock内存中的值进行比较
    "jne    2b      \n"//若不等于0则跳转到前面2标号处运行继续比较  
    "jmp    1b      \n"//若等于0则跳转到前面1标号处运行，交换并加锁
    "3:  \n"     
    :
    : "r"(1), 
    "m"(*lock));
}
//解锁函数
static inline void x86_spin_unlock(spinlock_t * lock)
{
    __asm__ __volatile__(
    "movl   $0, %0\n"//解锁把lock内存中的值设为0就行
    :
    : "m"(*lock));
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

static inline void x86_spin_lock_disable_irq(spinlock_t * lock,cpuflg_t* flags)
{
    __asm__ __volatile__(
    "pushfq                 \n\t"
    "cli                    \n\t"
    "popq %0                \n\t"
    "1:         \n\t"
    "lock; xchg  %1, %2 \n\t"
    "cmpl   $0,%1       \n\t"
    "jnz    2f      \n\t"
    "jmp    3f      \n"  
    "2:         \n\t"
    "cmpl   $0,%2       \n\t" 
    "jne    2b      \n\t"
    "jmp    1b      \n\t"
    "3:     \n"     
    :"=m"(*flags)
    : "r"(1), "m"(*lock));
}
static inline void x86_spin_unlock_enabled_irq(spinlock_t* lock,cpuflg_t* flags)
{
    __asm__ __volatile__(
    "movl   $0, %0\n\t"
    "pushq %1 \n\t"
    "popfq \n\t"
    :
    : "m"(*lock), "m"(*flags));
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

#define SEM_FLG_MUTEX 0
#define SEM_FLG_MULTI 1
#define SEM_MUTEX_ONE_LOCK 1
#define SEM_MULTI_LOCK 0
//等待链数据结构，用于挂载等待代码执行流（线程）的结构，里面有用于挂载代码执行流的链表和计数器变量，这里我们先不深入研究这个数据结构。
typedef struct s_KWLST
{   
    spinlock_t wl_lock;
    uint_t   wl_tdnr;
    list_h_t wl_list;
}kwlst_t;
//信号量数据结构
typedef struct s_SEM
{
    spinlock_t sem_lock;//维护sem_t自身数据的自旋锁
    uint_t sem_flg;//信号量相关的标志
    sint_t sem_count;//信号量计数值
    kwlst_t sem_waitlst;//用于挂载等待代码执行流（线程）结构
}sem_t;

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35

//获取信号量
void krlsem_down(sem_t* sem)
{
    cpuflg_t cpufg;
start_step:    
    krlspinlock_cli(&sem->sem_lock,&cpufg);//获取自旋锁
    if(sem->sem_count<1)
    {//如果信号量值小于1,则让代码执行流（线程）睡眠
        krlwlst_wait(&sem->sem_waitlst);
        krlspinunlock_sti(&sem->sem_lock,&cpufg);
        krlschedul();//切换代码执行流，下次恢复执行时依然从下一行开始执行，所以要goto开始处重新获取信号量
        goto start_step; 
    }
    sem->sem_count--;//信号量值减1,表示成功获取信号量
    krlspinunlock_sti(&sem->sem_lock,&cpufg);//释放自旋锁
    return;
}
//释放信号量
void krlsem_up(sem_t* sem)
{
    cpuflg_t cpufg;
    krlspinlock_cli(&sem->sem_lock,&cpufg); //获取自旋锁
    sem->sem_count++;//释放信号量
    if(sem->sem_count<1)
    {//如果小于1,则说数据结构出错了，挂起系统
        krlspinunlock_sti(&sem->sem_lock,&cpufg);
        hal_sysdie("sem up err");
    }
    //唤醒该信号量上所有等待的代码执行流（线程）
    krlwlst_allup(&sem->sem_waitlst);
    krlspinunlock_sti(&sem->sem_lock,&cpufg);
    krlsched_set_schedflgs();
    return;
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9

tyepedef struct 
{
    int counter;
} atomic_t;

typedef struct
{
    s64 counter;    
} atomic64_t;

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51

//原子读取变量中的值
static __always_inline int arch_atomic_read(const atomic_t *v)
{
    return __READ_ONCE((v)->counter);
}
//原子写入一个具体的值
static __always_inline void arch_atomic_set(atomic_t *v, int i)
{
    __WRITE_ONCE(v->counter, i);
}
//原子加上一个具体的值
static __always_inline void arch_atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
    asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
             : "+m" (v->counter)
             : "ir" (i) : "memory");
}
//原子减去一个具体的值
static __always_inline void arch_atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
    asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
             : "+m" (v->counter)
             : "ir" (i) : "memory");
}
//原子加1
static __always_inline void arch_atomic_inc(atomic_t *v)
{
    asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"
             : "+m" (v->counter) :: "memory");
}
//原子减1
static __always_inline void arch_atomic_dec(atomic_t *v)
{
    asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0"
             : "+m" (v->counter) :: "memory");
}



#define __READ_ONCE(x)  \
(*(const volatile __unqual_scalar_typeof(x) *)&(x))
#define __WRITE_ONCE(x, val) \
do {*(volatile typeof(x) *)&(x) = (val);} while (0)
//__unqual_scalar_typeof表示声明一个非限定的标量类型，非标量类型保持不变。说人话就是返回x变量的类型，这是GCC的功能，typeof只是纯粹返回x的类型。

//如果 x 是int类型则返回“int” 
#define __READ_ONCE(x)  \
(*(const volatile int *)&(x))
#define __WRITE_ONCE(x, val) \
do {*(volatile int *)&(x) = (val);} while (0) 

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83

//实际保存eflags寄存器
extern __always_inline unsigned long native_save_fl(void){
    unsigned long flags;
    asm volatile("# __raw_save_flags\n\t"
                 "pushf ; pop %0":"=rm"(flags)::"memory");
    return flags;
}
//实际恢复eflags寄存器
extern inline void native_restore_fl(unsigned long flags){
    asm volatile("push %0 ; popf"::"g"(flags):"memory","cc");
}
//实际关中断
static __always_inline void native_irq_disable(void){
    asm volatile("cli":::"memory");
}
//实际开启中断
static __always_inline void native_irq_enable(void){
    asm volatile("sti":::"memory");
}
//arch层关中断
static __always_inline void arch_local_irq_disable(void){
    native_irq_disable();
}
//arch层开启中断
static __always_inline void arch_local_irq_enable(void){ 
    native_irq_enable();
}
//arch层保存eflags寄存器
static __always_inline unsigned long           arch_local_save_flags(void){
    return native_save_fl();
}
//arch层恢复eflags寄存器
static  __always_inline void arch_local_irq_restore(unsigned long flags){
    native_restore_fl(flags);
}
//实际保存eflags寄存器并关中断
static __always_inline unsigned long arch_local_irq_save(void){
    unsigned long flags = arch_local_save_flags();
    arch_local_irq_disable();
    return flags;
}
//raw层关闭开启中断宏
#define raw_local_irq_disable()     arch_local_irq_disable()
#define raw_local_irq_enable()      arch_local_irq_enable()
//raw层保存恢复eflags寄存器宏
#define raw_local_irq_save(flags)           \
    do {                        \
        typecheck(unsigned long, flags);    \
        flags = arch_local_irq_save();      \
    } while (0)
    
#define raw_local_irq_restore(flags)            \
    do {                        \
        typecheck(unsigned long, flags);    \
        arch_local_irq_restore(flags);      \
    } while (0)
    
#define raw_local_save_flags(flags)         \
    do {                        \
        typecheck(unsigned long, flags);    \
        flags = arch_local_save_flags();    \
    } while (0)
//通用层接口宏 
#define local_irq_enable()              \
    do { \
        raw_local_irq_enable();         \
    } while (0)

#define local_irq_disable()             \
    do {                        \
        raw_local_irq_disable();        \
    } while (0)

#define local_irq_save(flags)               \
    do {                        \
        raw_local_irq_save(flags);      \
    } while (0)

#define local_irq_restore(flags)            \
    do {                        \
        raw_local_irq_restore(flags);       \
    } while (0)

1
2
3

typedef struct {
    volatile unsigned long lock; 
} spinlock_t;

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

#define spin_unlock_string \  
    "movb $1,%0" \ //写入1表示解锁
    :"=m" (lock->lock) : : "memory"

#define spin_lock_string \
  "\n1:\t" \  
    "lock ; decb %0\n\t" \ //原子减1
  "js 2f\n" \    //当结果小于0则跳转到标号2处，表示加锁失败
    ".section .text.lock,\"ax\"\n" \ //重新定义一个代码段，这是优化技术，避免后面的代码填充cache，因为大部分情况会加锁成功，链接器会处理好这个代码段的
  "2:\t" \  
    "cmpb $0,%0\n\t" \  //和0比较
    "rep;nop\n\t" \  //空指令
    "jle 2b\n\t" \   //小于或等于0跳转到标号2
    "jmp 1b\n" \   //跳转到标号1  
    ".previous"
//获取自旋锁
static inline void spin_lock(spinlock_t*lock){
    __asm__ __volatile__(
    spin_lock_string
    :"=m"(lock->lock)::"memory"
    );
}
//释放自旋锁
static inline void spin_unlock(spinlock_t*lock){
__asm__ __volatile__(
    spin_unlock_string
    );
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15

//RAW层的自旋锁数据结构
typedef struct raw_spinlock{
    unsigned int slock;//真正的锁值变量
}raw_spinlock_t;
//最上层的自旋锁数据结构
typedef struct spinlock{
    struct raw_spinlock rlock;
}spinlock_t;
//Linux没有这样的结构，这只是为了描述方便
typedef struct raw_spinlock{
    union {
        unsigned int slock;//真正的锁值变量
    }
}raw_spinlock_t;

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t*lock){
int inc = 0x00010000;
int tmp;
__asm__ __volatile__(
"lock ; xaddl %0, %1\n" //将inc和slock交换，然后 inc=inc+slock
                        //相当于原子读取next和owner并对next+1
"movzwl %w0, %2\n\t"//将inc的低16位做0扩展后送tmp tmp=(u16)inc
"shrl $16, %0\n\t" //将inc右移16位 inc=inc>>16
"1:\t"
"cmpl %0, %2\n\t" //比较inc和tmp，即比较next和owner 
"je 2f\n\t" //相等则跳转到标号2处返回
"rep ; nop\n\t" //空指令
"movzwl %1, %2\n\t" //将slock的低16位做0扩展后送tmp 即tmp=owner
"jmp 1b\n" //跳转到标号1处继续比较
"2:"
:"+Q"(inc),"+m"(lock->slock),"=r"(tmp)
::"memory","cc"
);
}
#define UNLOCK_LOCK_PREFIX LOCK_PREFIX
static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t*lock){
__asm__ __volatile__(
UNLOCK_LOCK_PREFIX"incw %0"//将slock的低16位加1 即owner+1
:"+m"(lock->slock)
::"memory","cc");
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

static inline int __raw_spin_trylock(raw_spinlock_t*lock){
    int tmp;
    int new;
    asm volatile(
    "movl %2,%0\n\t"//tmp=slock
    "movl %0,%1\n\t"//new=tmp
    "roll $16, %0\n\t"//tmp循环左移16位，即next和owner交换了
    "cmpl %0,%1\n\t"//比较tmp和new即（owner、next）？=（next、owner）
    "jne 1f\n\t" //不等则跳转到标号1处 
    "addl $0x00010000, %1\n\t"//相当于next+1
    "lock ; cmpxchgl %1,%2\n\t"//new和slock交换比较    
    "1:"
    "sete %b1\n\t" //new = eflags.ZF位，ZF取决于前面的判断是否相等
    "movzbl %b1,%0\n\t" //tmp = new
    :"=&a"(tmp),"=Q"(new),"+m"(lock->slock)
    ::"memory","cc");
    return tmp;
}
int __lockfunc _spin_trylock(spinlock_t*lock){ 
    preempt_disable();
    if(_raw_spin_trylock(lock)){
        spin_acquire(&lock->dep_map,0,1,_RET_IP_);
        return 1;
    }
    preempt_enable();
    return 0;
}
#define spin_trylock(lock) __cond_lock(lock, _spin_trylock(lock))

1
2
3
4
5
6

struct semaphore
{
    raw_spinlock_t lock; // 保护信号量自身的自旋锁
    unsigned int count; // 信号量值
    struct list_head wait_list; //挂载睡眠等待进程的链表
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,long timeout)
{
    struct semaphore_waiter waiter;
    //把waiter加入sem->wait_list的头部
    list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
    waiter.task = current;//current表示当前进程，即调用该函数的进程
    waiter.up = false;
    for (;;) {
        if (signal_pending_state(state, current))
            goto interrupted;
        if (unlikely(timeout <= 0))
            goto timed_out;
        __set_current_state(state);//设置当前进程的状态，进程睡眠，即先前__down函数中传入的TASK_UNINTERRUPTIBLE：该状态是等待资源有效时唤醒（比如等待键盘输入、socket连接、信号（signal）等等），但不可以被中断唤醒
        raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);//释放在down函数中加的锁
        timeout = schedule_timeout(timeout);//真正进入睡眠
        raw_spin_lock_irq(&sem->lock);//进程下次运行会回到这里，所以要加锁
        if (waiter.up)
            return 0;
    }
 timed_out:
    list_del(&waiter.list);
    return -ETIME;
 interrupted:
    list_del(&waiter.list);
    return -EINTR;

    //为了简单起见处理进程信号（signal）和超时的逻辑代码我已经删除
}
//进入睡眠等待
static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
    __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}
//获取信号量
void down(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    //对信号量本身加锁并关中断，也许另一段代码也在操作该信号量
    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > 0))
        sem->count--;//如果信号量值大于0,则对其减1
    else
        __down(sem);//否则让当前进程进入睡眠
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
//实际唤醒进程 
static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
    struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list, struct semaphore_waiter, list);
    //获取信号量等待链表中的第一个数据结构semaphore_waiter，它里面保存着睡眠进程的指针
    list_del(&waiter->list);
    waiter->up = true;
    wake_up_process(waiter->task);//唤醒进程重新加入调度队列
}
//释放信号量
void up(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    //对信号量本身加锁并关中断，必须另一段代码也在操作该信号量
    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
        sem->count++;//如果信号量等待链表中为空，则对信号量值加1
    else
        __up(sem);//否则执行唤醒进程相关的操作
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61

//读写锁初始化锁值
#define RW_LOCK_BIAS     0x01000000
//读写锁的底层数据结构
typedef struct{
    unsigned int lock;
}arch_rwlock_t;
//释放读锁 
static inline void arch_read_unlock(arch_rwlock_t*rw){ 
    asm volatile(
        LOCK_PREFIX"incl %0" //原子对lock加1
        :"+m"(rw->lock)::"memory");
}
//释放写锁
static inline void arch_write_unlock(arch_rwlock_t*rw){
    asm volatile(
        LOCK_PREFIX"addl %1, %0"//原子对lock加上RW_LOCK_BIAS
        :"+m"(rw->lock):"i"(RW_LOCK_BIAS):"memory");
}
//获取写锁失败时调用
ENTRY(__write_lock_failed)
    //(%eax)表示由eax指向的内存空间是调用者传进来的 
    2:LOCK_PREFIX addl  $ RW_LOCK_BIAS,(%eax)
    1:rep;nop//空指令
    cmpl $RW_LOCK_BIAS,(%eax)
    //不等于初始值则循环比较，相等则表示有进程释放了写锁
    jne   1b
    //执行加写锁
    LOCK_PREFIX subl  $ RW_LOCK_BIAS,(%eax)
    jnz 2b //不为0则继续测试，为0则表示加写锁成功
    ret //返回
ENDPROC(__write_lock_failed)
//获取读锁失败时调用
ENTRY(__read_lock_failed)
    //(%eax)表示由eax指向的内存空间是调用者传进来的 
    2:LOCK_PREFIX incl(%eax)//原子加1
    1:  rep; nop//空指令
    cmpl  $1,(%eax) //和1比较 小于0则
    js 1b //为负则继续循环比较
    LOCK_PREFIX decl(%eax) //加读锁
    js  2b  //为负则继续加1并比较，否则返回
    ret //返回
ENDPROC(__read_lock_failed)
//获取读锁
static inline void arch_read_lock(arch_rwlock_t*rw){
    asm volatile(
        LOCK_PREFIX" subl $1,(%0)\n\t"//原子对lock减1
        "jns 1f\n"//不为小于0则跳转标号1处，表示获取读锁成功
        "call __read_lock_failed\n\t"//调用__read_lock_failed
        "1:\n"
        ::LOCK_PTR_REG(rw):"memory");
}
//获取写锁
static inline void arch_write_lock(arch_rwlock_t*rw){
    asm volatile(
        LOCK_PREFIX"subl %1,(%0)\n\t"//原子对lock减去RW_LOCK_BIAS
        "jz 1f\n"//为0则跳转标号1处
        "call __write_lock_failed\n\t"//调用__write_lock_failed
        "1:\n"
        ::LOCK_PTR_REG(rw),"i"(RW_LOCK_BIAS):"memory");
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41

//映像文件头描述符
typedef struct s_mlosrddsc
{
    u64_t mdc_mgic; //映像文件标识
    u64_t mdc_sfsum;//未使用
    u64_t mdc_sfsoff;//未使用
    u64_t mdc_sfeoff;//未使用
    u64_t mdc_sfrlsz;//未使用
    u64_t mdc_ldrbk_s;//映像文件中二级引导器的开始偏移
    u64_t mdc_ldrbk_e;//映像文件中二级引导器的结束偏移
    u64_t mdc_ldrbk_rsz;//映像文件中二级引导器的实际大小
    u64_t mdc_ldrbk_sum;//映像文件中二级引导器的校验和
    u64_t mdc_fhdbk_s;//映像文件中文件头描述的开始偏移
    u64_t mdc_fhdbk_e;//映像文件中文件头描述的结束偏移
    u64_t mdc_fhdbk_rsz;//映像文件中文件头描述的实际大小
    u64_t mdc_fhdbk_sum;//映像文件中文件头描述的校验和
    u64_t mdc_filbk_s;//映像文件中文件数据的开始偏移
    u64_t mdc_filbk_e;//映像文件中文件数据的结束偏移
    u64_t mdc_filbk_rsz;//映像文件中文件数据的实际大小
    u64_t mdc_filbk_sum;//映像文件中文件数据的校验和
    u64_t mdc_ldrcodenr;//映像文件中二级引导器的文件头描述符的索引号
    u64_t mdc_fhdnr;//映像文件中文件头描述符有多少个
    u64_t mdc_filnr;//映像文件中文件头有多少个
    u64_t mdc_endgic;//映像文件结束标识
    u64_t mdc_rv;//映像文件版本
}mlosrddsc_t;

#define FHDSC_NMAX 192 //文件名长度
//文件头描述符
typedef struct s_fhdsc
{
    u64_t fhd_type;//文件类型
    u64_t fhd_subtype;//文件子类型
    u64_t fhd_stuts;//文件状态
    u64_t fhd_id;//文件id
    u64_t fhd_intsfsoff;//文件在映像文件位置开始偏移
    u64_t fhd_intsfend;//文件在映像文件的结束偏移
    u64_t fhd_frealsz;//文件实际大小
    u64_t fhd_fsum;//文件校验和
    char   fhd_name[FHDSC_NMAX];//文件名
}fhdsc_t;

1
2
3
4
5
6

lmoskrlimg -m k -lhf GRUB头文件 -o 映像文件 -f 输入的文件列表
-m 表示模式 只能是k内核模式
-lhf 表示后面跟上GRUB头文件
-o 表示输出的映像文件名 
-f 表示输入文件列表
#例如：lmoskrlimg -m k -lhf grubhead.bin -o kernel.img -f file1.bin file2.bin file3.bin file4.bin 

1
2
3
4
5
6
7

dd bs=512 if=/dev/zero of=hd.img count=204800

#bs:表示块大小，这里是512字节
#if：表示输入文件，/dev/zero就是Linux下专门返回0数据的设备文件，读取它就返回0
#of：表示输出文件，即我们的硬盘文件。
#count：表示输出多少块

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13

# 1. 将文件变成回环设备
# loop0可能被占用，换成其他名字即可 
sudo losetup /dev/loop0 hd.img

# 2. 建立文件系统
sudo mkfs.ext4 -q /dev/loop0

# 3. 挂载
# 挂载硬盘文件, 可通过 lsblk 命令验证结果
sudo mount -o loop ./hd.img  ./hdisk 
 # 建立boot目录
sudo mkdir ./hdist/boot 

1
2
3
4
5

# 安装GRUB
sudo grub-install --boot-directory=./hdisk/boot/ --force --allow-floppy /dev/loop0
# --boot-directory 指向先前我们在虚拟硬盘中建立的boot目录。
# --force --allow-floppy ：指向我们的虚拟硬盘设备文件/dev/loop0

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

menuentry 'HelloOS' {
insmod part_msdos
insmod ext2
set root='hd0,msdos1' #我们的硬盘只有一个分区所以是'hd0,msdos1'
multiboot2 /boot/HelloOS.eki #加载boot目录下的HelloOS.eki文件
boot #引导启动
}
set timeout_style=menu
if [ "${timeout}" = 0 ]; then
  set timeout=10 #等待10秒钟自动启动
fi

1
2
3

VBoxManage convertfromraw ./hd.img --format VDI ./hd.vdi
#convertfromraw 指向原始格式文件
#--format VDI  表示转换成虚拟需要的VDI格式

1
2
3
4
5
6
7
8

# 第一步：配置硬盘控制器 
# SATA的硬盘其控制器是intelAHCI
VBoxManage storagectl HelloOS --name "SATA" --add sata --controller IntelAhci --portcount 1
# 第二步：挂载虚拟硬盘
VBoxManage closemedium disk ./hd.vdi #删除虚拟硬盘UUID并重新分配
#将虚拟硬盘挂到虚拟机的硬盘控制器
VBoxManage storageattach HelloOS --storagectl "SATA" --port 1 --device 0 --type hdd --medium ./hd.vdi

1

VBoxManage startvm HelloOS #启动虚拟机

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

typedef struct s_MACHBSTART
{
    u64_t   mb_krlinitstack;//内核栈地址
    u64_t   mb_krlitstacksz;//内核栈大小
    u64_t   mb_imgpadr;//操作系统映像
    u64_t   mb_imgsz;//操作系统映像大小
    u64_t   mb_bfontpadr;//操作系统字体地址
    u64_t   mb_bfontsz;//操作系统字体大小
    u64_t   mb_fvrmphyadr;//机器显存地址
    u64_t   mb_fvrmsz;//机器显存大小
    u64_t   mb_cpumode;//机器CPU工作模式
    u64_t   mb_memsz;//机器内存大小
    u64_t   mb_e820padr;//机器e820数组地址
    u64_t   mb_e820nr;//机器e820数组元素个数
    u64_t   mb_e820sz;//机器e820数组大小
    //……
    u64_t   mb_pml4padr;//机器页表数据地址
    u64_t   mb_subpageslen;//机器页表个数
    u64_t   mb_kpmapphymemsz;//操作系统映射空间大小
    //……
    graph_t mb_ghparm;//图形信息
}__attribute__((packed)) machbstart_t;

1
2

lmoskrlimg -m k -lhf initldrimh.bin -o Cosmos.eki -f initldrkrl.bin initldrsve.bin

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

MBT_HDR_FLAGS  EQU 0x00010003
MBT_HDR_MAGIC  EQU 0x1BADB002
MBT2_MAGIC  EQU 0xe85250d6
global _start
extern inithead_entry
[section .text]
[bits 32]
_start:
  jmp _entry
align 4
mbt_hdr:
  dd MBT_HDR_MAGIC
  dd MBT_HDR_FLAGS
  dd -(MBT_HDR_MAGIC+MBT_HDR_FLAGS)
  dd mbt_hdr
  dd _start
  dd 0
  dd 0
  dd _entry
ALIGN 8
mbhdr:
  DD  0xE85250D6
  DD  0
  DD  mhdrend - mbhdr
  DD  -(0xE85250D6 + 0 + (mhdrend - mbhdr))
  DW  2, 0
  DD  24
  DD  mbhdr
  DD  _start
  DD  0
  DD  0
  DW  3, 0
  DD  12
  DD  _entry 
  DD  0  
  DW  0, 0
  DD  8
mhdrend:

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

_entry:
  cli           ；关中断
  in al, 0x70 
  or al, 0x80  
  out 0x70,al  ；关掉不可屏蔽中断   
  lgdt [GDT_PTR] ；加载GDT地址到GDTR寄存器
  jmp dword 0x8 :_32bits_mode ；长跳转刷新CS影子寄存器
  ;………………
;GDT全局段描述符表
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
k16cd_dsc: dq 0x00009e000000ffff ；16位代码段描述符
k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff ；16位数据段描述符
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN  dw GDT_END-GDT_START-1  ;GDT界限
GDTBASE  dd GDT_ST  

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

_32bits_mode：
  mov ax, 0x10
  mov ds, ax
  mov ss, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax
  mov gs, ax
  xor eax,eax
  xor ebx,ebx
  xor ecx,ecx
  xor edx,edx
  xor edi,edi
  xor esi,esi
  xor ebp,ebp
  xor esp,esp
  mov esp,0x7c00 ；设置栈顶为0x7c00
  call inithead_entry ；调用inithead_entry函数在inithead.c中实现
  jmp 0x200000  ；跳转到0x200000地址

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69

#define MDC_ENDGIC 0xaaffaaffaaffaaff
#define MDC_RVGIC 0xffaaffaaffaaffaa
#define REALDRV_PHYADR 0x1000
#define IMGFILE_PHYADR 0x4000000
#define IMGKRNL_PHYADR 0x2000000
#define LDRFILEADR IMGFILE_PHYADR
#define MLOSDSC_OFF (0x1000)
#define MRDDSC_ADR (mlosrddsc_t*)(LDRFILEADR+0x1000)

void inithead_entry()
{
    write_realintsvefile();
    write_ldrkrlfile();
    return;
}
//写initldrsve.bin文件到特定的内存中
void write_realintsvefile()
{
    fhdsc_t *fhdscstart = find_file("initldrsve.bin");
    if (fhdscstart == NULL)
    {
        error("not file initldrsve.bin");
    }
    m2mcopy((void *)((u32_t)(fhdscstart->fhd_intsfsoff) + LDRFILEADR),
            (void *)REALDRV_PHYADR, (sint_t)fhdscstart->fhd_frealsz);
    return;
}
//写initldrkrl.bin文件到特定的内存中
void write_ldrkrlfile()
{
    fhdsc_t *fhdscstart = find_file("initldrkrl.bin");
    if (fhdscstart == NULL)
    {
        error("not file initldrkrl.bin");
    }
    m2mcopy((void *)((u32_t)(fhdscstart->fhd_intsfsoff) + LDRFILEADR),
            (void *)ILDRKRL_PHYADR, (sint_t)fhdscstart->fhd_frealsz);
    return;
}
//在映像文件中查找对应的文件
fhdsc_t *find_file(char_t *fname)
{
    mlosrddsc_t *mrddadrs = MRDDSC_ADR;
    if (mrddadrs->mdc_endgic != MDC_ENDGIC ||
        mrddadrs->mdc_rv != MDC_RVGIC ||
        mrddadrs->mdc_fhdnr < 2 ||
        mrddadrs->mdc_filnr < 2)
    {
        error("no mrddsc");
    }
    s64_t rethn = -1;
    fhdsc_t *fhdscstart = (fhdsc_t *)((u32_t)(mrddadrs->mdc_fhdbk_s) + LDRFILEADR);
    for (u64_t i = 0; i < mrddadrs->mdc_fhdnr; i++)
    {
        if (strcmpl(fname, fhdscstart[i].fhd_name) == 0)
        {
            rethn = (s64_t)i;
            goto ok_l;
        }
    }
    rethn = -1;
ok_l:
    if (rethn < 0)
    {
        error("not find file");
    }
    return &fhdscstart[rethn];
}

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

_entry:
  cli
  lgdt [GDT_PTR]；加载GDT地址到GDTR寄存器
  lidt [IDT_PTR]；加载IDT地址到IDTR寄存器
  jmp dword 0x8 :_32bits_mode；长跳转刷新CS影子寄存器
_32bits_mode:
  mov ax, 0x10  ; 数据段选择子(目的)
  mov ds, ax
  mov ss, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax
  mov gs, ax
  xor eax,eax
  xor ebx,ebx
  xor ecx,ecx
  xor edx,edx
  xor edi,edi
  xor esi,esi
  xor ebp,ebp
  xor esp,esp
  mov esp,0x90000 ；使得栈底指向了0x90000
  call ldrkrl_entry ；调用ldrkrl_entry函数
  xor ebx,ebx
  jmp 0x2000000 ；跳转到0x2000000的内存地址
  jmp $
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9a000000ffff ;a-e
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
k16cd_dsc: dq 0x00009a000000ffff ；16位代码段描述符
k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff ；16位数据段描述符
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN  dw GDT_END-GDT_START-1  ;GDT界限
GDTBASE  dd GDT_START

IDT_PTR:
IDTLEN  dw 0x3ff
IDTBAS  dd 0  ；这是BIOS中断表的地址和长度

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

realadr_call_entry:
  pushad     ;保存通用寄存器
  push    ds
  push    es
  push    fs ;保存4个段寄存器
  push    gs
  call save_eip_jmp ；调用save_eip_jmp 
  pop  gs
  pop  fs
  pop  es      ;恢复4个段寄存器
  pop  ds
  popad       ;恢复通用寄存器
  ret
save_eip_jmp:
  pop esi  ；弹出call save_eip_jmp时保存的eip到esi寄存器中， 
  mov [PM32_EIP_OFF],esi ；把eip保存到特定的内存空间中
  mov [PM32_ESP_OFF],esp ；把esp保存到特定的内存空间中
  jmp dword far [cpmty_mode]；长跳转这里表示把cpmty_mode处的第一个4字节装入eip，把其后的2字节装入cs
cpmty_mode:
  dd 0x1000
  dw 0x18
  jmp $

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42

[bits 16]
_start:
_16_mode:
  mov  bp,0x20 ;0x20是指向GDT中的16位数据段描述符 
  mov  ds, bp
  mov  es, bp
  mov  ss, bp
  mov  ebp, cr0
  and  ebp, 0xfffffffe
  mov  cr0, ebp ；CR0.P=0 关闭保护模式
  jmp  0:real_entry ；刷新CS影子寄存器，真正进入实模式
real_entry:
  mov bp, cs
  mov ds, bp
  mov es, bp
  mov ss, bp ；重新设置实模式下的段寄存器 都是CS中值，即为0 
  mov sp, 08000h ；设置栈
  mov bp,func_table
  add bp,ax
  call [bp] ；调用函数表中的汇编函数，ax是C函数中传递进来的
  cli
  call disable_nmi
  mov  ebp, cr0
  or  ebp, 1
  mov  cr0, ebp ；CR0.P=1 开启保护模式
  jmp dword 0x8 :_32bits_mode
[BITS 32]
_32bits_mode:
  mov bp, 0x10
  mov ds, bp
  mov ss, bp；重新设置保护模式下的段寄存器0x10是32位数据段描述符的索引
  mov esi,[PM32_EIP_OFF]；加载先前保存的EIP
  mov esp,[PM32_ESP_OFF]；加载先前保存的ESP
  jmp esi ；eip=esi 回到了realadr_call_entry函数中

func_table:  ;函数表
  dw _getmmap ；获取内存布局视图的函数
  dw _read ；读取硬盘的函数
    dw _getvbemode ；获取显卡VBE模式 
    dw _getvbeonemodeinfo ；获取显卡VBE模式的数据
    dw _setvbemode ；设置显卡VBE模式