【读书笔记-《30天自制操作系统》-14】Day15

news2024/12/25 3:22:57

本篇内容开始讲解多任务。本篇内容结构很简单，先讲解任务切换的原理，再讲解任务切换的代码实践。但是涉及到的知识不少，理解上也有些难度。

在这里插入图片描述

1. 任务切换与多任务原理

1.1 多任务与任务切换

所谓多任务，指的是操作系统同时运行多个任务。但是这种说法实际上是不准确的。如果只有一个CPU，是无法事实上实现同时运行多个任务的。而之所以给用户以多个任务在同时运行的错觉，其实是因为多个任务之间在快速地切换。

为了造成这种错觉，切换的间隔时间不能很长；但同时，过于频繁地切换又会严重消耗CPU的处理能力。二者平衡来看，一般的操作系统选择每0.01s进行一次切换，这样消耗在切换过程的CPU处理能力大概是1%，就可以忽略不计了。

讲清楚了多任务与任务切换的关系，下面来讲任务切换的过程。

1.2 任务切换过程

CPU接收到任务切换指令时，会将所有寄存器的值保存在内存中。这是为了以后切换回来时可以从中断的地方继续运行。接下来，为了运行下一个程序，CPU又会从内存中取出另一组寄存器的值，完成一次切换。而切换所需的时间，实际上就是从内存读写寄存器的时间。

1.3 TSS

寄存器中的内容如何写入内存呢？这里引入一种数据结构TSS(Task status segment，任务状态段)。TSS也是内存段的一种，需要在GDT中进行注册才能使用。

struct TSS32{
	int backlink, esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2, cr3;
	int eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
	int es, cs, ss, ds, fs, gs;
	int ldtr, iomap;
}

TSS中的内容有26个int成员，共104字节。第一行的内容与任务设置相关，可以暂时忽略；第二行是32位寄存器，第三行是16位寄存器。EIP是“extended instruction pointer”的缩写，扩展指令指针寄存器。E表示是32位的寄存器，16位的版本就是IP。EIP中存放的是CPU下一条需要执行指令的地址。每执行一条指令，EIP寄存器中的值会自动累加，保证一直指向下一条需要执行的指令。
实际上JMP指令也利用了EIP寄存器。JMP 0x1234实际执行了向EIP赋值，改变EIP的值后，下一条指令就从新的地址取出，也就实现了跳转。
将EIP的值保存下来，切换回来的时候CPU就知道从哪里开始继续执行了。

第四行的ldtr和iomap也是与任务设置相关的部分，需要正确赋值。这里暂时将ldtr设置位0，将iomap设置为0x40000000。

1.4 任务切换实践

TSS讲解完了，继续来看任务切换的过程。进行任务切换实际上还是需要用到JMP指令。JMP指令分为两种：只改写EIP的称为near模式，同时改写EIP和CS的称为far模式。CS是代码段寄存器，修改了CS就表示要跳转到其他的段了。
如果一条JMP指令所指定的目标地址段不是可执行的代码，而是TSS，那么CPU就不会执行通常的改写CS与EIP的操作，而是将这条指令理解为任务切换。

1.4.1 切换前的任务设置

接下来实践一下，准备两个任务A和B，做从A切换到B的操作。
首先创建两个任务的TSS：

struct TSS32 tss_a, tss_b;

给他们的ldtr和iomap赋值为合适的值：

tss_a.ldtr = 0;
tss_a.iomap = 0x40000000;
tss_b.ldtr = 0;
tss_b.iomap = 0x40000000;

此外还要注册到GDT中：

	struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) ADR_GDT;

	set_segmdesc(gdt + 3, 103, (int) &tss_a, AR_TSS32);
	set_segmdesc(gdt + 4, 103, (int) &tss_b, AR_TSS32);

将tss_a定义为gdt的3号，段长限制为103字节，tss_b也采用类似的定义。

TR(task register)寄存器存放的是当前执行的任务，进行任务切换的时候，TR寄存器的值也会发生变化。我们给TR寄存器赋值为3*8，即GDT的3号，因为给TR寄存器赋值需要将GET编号乘以8。给TR寄存器赋值需要通过汇编语言的LTR指令：

load_tr(3 * 8);

_load_tr:		; void load_tr(int tr);
		LTR		[ESP+4]			; tr
		RET

1.4.2 任务切换过程

接下来还要执行far模式的跳转指令，这里还是需要用汇编语言进行编写。

_taskswitch4:	; void taskswitch4(void);
		JMP		4*8:0
		RET

通常情况下，JMP指令后面的RET指令是没有意义的。但是对于用作任务切换的JMP指令，重新返回这个任务时，程序会从这条JMP指令之后继续运行。这里就是执行RET，从汇编语言函数返回C语言主程序。

如果far-JMP指令用于任务切换，则地址段4*8一定要指向TSS，而偏移量则可以忽略，这里写为0即可。

执行切换的函数写好了，我们在主程序中调用就可以实现切换。在哪里调用呢？我们放在超时10s的处理里面：

else if (i == 10) { /* 10s计时器} */
				putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 64, COL8_FFFFFF, COL8_008484, "10[sec]", 7);
				taskswitch4();
			}

这样程序启动10s后，就会执行切换。

到这里切换的过程就完成了吗？其实还没有。运行taskswitch4函数可以切换到任务B，但我们还没有设置好任务B的TSS，这些工作其实是在初始化时完成的。

tss_b.eip = (int) &task_b_main;
	tss_b.eflags = 0x00000202; /* IF = 1; */
	tss_b.eax = 0;
	tss_b.ecx = 0;
	tss_b.edx = 0;
	tss_b.ebx = 0;
	tss_b.esp = task_b_esp;
	tss_b.ebp = 0;
	tss_b.esi = 0;
	tss_b.edi = 0;
	tss_b.es = 1 * 8;
	tss_b.cs = 2 * 8;
	tss_b.ss = 1 * 8;
	tss_b.ds = 1 * 8;
	tss_b.fs = 1 * 8;
	tss_b.gs = 1 * 8;

从后半段寄存器赋值来看，给CS赋值为GDT的2号，其他的寄存器设置为1号，其实是使用了与bootpack.c相同的地址段。使用其他的地址段也没有问题这里只是为了举个例子。
在eip中需要定义好切换到这个任务时从哪里开始运行，于是把task_b_main的地址赋值给eip。task_b_main就是任务B要运行的函数，目前其实什么都没做，只是执行了HLT。

void task_b_main(void)
{
	for (;;) { io_hlt(); }
}

task_b_esp是为任务B定义的栈。切换任务的时候，每个任务都有自己专门的栈。

int task_b_esp;
task_b_esp = memman_alloc_4k(memman, 64 * 1024) + 64 * 1024;

到这里也就切换的过程也就全部完成了。由于任务B只是执行HLT，所以运行的结果是10s之后停住，鼠标和键盘都没有反应了。

完成了切换到任务B，我们再从任务B切换回任务A。

void task_b_main(void)
{
	struct FIFO32 fifo;
	struct TIMER *timer;
	int i, fifobuf[128];

	fifo32_init(&fifo, 128, fifobuf);
	timer = timer_alloc();
	timer_init(timer, &fifo, 1);
	timer_settime(timer, 500);

	for (;;) {
		io_cli();
		if (fifo32_status(&fifo) == 0) {
			io_sti();
			io_hlt();
		} else {
			i = fifo32_get(&fifo);
			io_sti();
			if (i == 1) { /* 超时时间为5s */
				taskswitch3(); /* 返回任务A */
			}
		}
	}
}

_taskswitch3:	; void taskswitch3(void);
		JMP		3*8:0
		RET

改写后的任务B程序与主程序类似，并且定义了一个5s的定时器。超时时间一到，就执行taskswitch3切换回任务A。有了前面的基础，这些修改也不难理解了。

1.5 多任务实践

完成了任务切换的功能，只需要再实现快速交替切换任务，就实现了多任务的目的，也不难做到。

首先将任务切换的函数改写的更加通用一些。

_farjmp:		; void farjmp(int eip, int cs);
		JMP		FAR	[ESP+4]				; eip, cs
		RET

使用JMP FAR指令时，需要指定一个地址。CPU会从指定的地址中读出4字节数据存入EIP，再继续读取2字节数据存入CS。这样我们调用_farjump(eip,cs)时，在[ESP + 4]的位置就存放了EIP的值，[ESP + 8]的位置则存放了CS的值，就可以实现预期的JMP FAR了。
因此taskswitch3就可以改写为farjmp(0, 38)，taskswitch4就可以改写成farjmp(0, 48)。

至于缩短时间间隔，我们只需要在任务A和任务B中分别准备一个0.02s的定时器，每隔0.02s就执行一次切换，这样就完成了。

	timer_ts = timer_alloc();
	timer_init(timer_ts, &fifo, 2);
	timer_settime(timer_ts, 2);

for (;;) {
		io_cli();
		if (fifo32_status(&fifo) == 0) {
			io_stihlt();
		} else {
			i = fifo32_get(&fifo);
			io_sti();
			if (i == 2) {
				farjmp(0, 4 * 8);
				timer_settime(timer_ts, 2);
……

可以看出主程序也就是任务A中设置了定时器ts，达到0.02s的超时时间后就执行切换，而切换返回后再执行timer_settime重新设置超时时间。

void task_b_main(void)
{
	struct FIFO32 fifo;
	struct TIMER *timer_ts;
	int i, fifobuf[128], count = 0;
	char s[11];
	struct SHEET *sht_back;

	fifo32_init(&fifo, 128, fifobuf);
	timer_ts = timer_alloc();
	timer_init(timer_ts, &fifo, 1);
	timer_settime(timer_ts, 2);
	sht_back = (struct SHEET *) *((int *) 0x0fec);

	for (;;) {
		count++;
		sprintf(s, "%10d", count);
		putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 144, COL8_FFFFFF, COL8_008484, s, 10);
		io_cli();
		if (fifo32_status(&fifo) == 0) {
			io_sti();
		} else {
			i = fifo32_get(&fifo);
			io_sti();
			if (i == 1) { /* 任务切换 */
				farjmp(0, 3 * 8);
				timer_settime(timer_ts, 2);
			}
		}
	}
}

任务B的程序也与此类似。但如何确认任务B确实在运行呢？这里我们让任务B执行计数功能。不过还存在一个问题，任务B中没有定义sht_back变量，需要在切换的时候传进来。如何传进来呢？这里先比较随便地将sht_back存在一个地址0x0fec中，切换到任务B时再从这个地址中获取。

*((int *) 0x0fec) = (int) sht_back;

sht_back = (struct SHEET *) *((int *) 0x0fec);

这样运行一下，由于切换速度很快，就给人以同时运行的感觉。
在这里插入图片描述
但是通过一个随意的地址来传送sht_back变量肯定是不合适的。从汇编语言的角度考虑，传入的参数就存放在内存地址ESP+4中，因此可以进行如下改写：

task_b_esp = memman_alloc_4k(memman, 64 * 1024) + 64 * 1024 - 8;

*（（int*）（task_b_esp+ 4）） = （int）sht_back;

分配的内存地址为64K，假设是从0x01234000开始，则task_b_esp的地址为0x0123ff8，ESP+4的地址即为0x0123ffe。从这里写入4字节，恰好不会超出64KB的空间。而运行B任务时，ESP+4的地址中已经存入了sht_back变量，B任务就会将其作为参数进行处理了。

在task_b_main程序中是不能使用return语句的。因为return语句归根结底是返回函数调用位置的一条JMP指令。由于task_b_mian这个程序不是由其他程序直接调用的，没有确定的调用位置，使用return会使程序无法正常运行。

到这里我们已经实现了一种多任务，但却还不是真正的多任务。因为当前的任务切换函数在任务A和任务B中执行，如果任务自身出了问题，可能会出现无法切换的情况。所谓真正的多任务，是在程序本身没有感知的情况下实现任务切换。

创建这样一个函数：

struct TIMER *mt_timer;
int mt_tr;

void mt_init(void)
{
	mt_timer = timer_alloc();
	timer_settime(mt_timer, 2);
	mt_tr = 3 * 8;
	return;
}

void mt_taskswitch(void)
{
	if (mt_tr == 3 * 8) {
		mt_tr = 4 * 8;
	} else {
		mt_tr = 3 * 8;
	}
	timer_settime(mt_timer, 2);
	farjmp(0, mt_tr);
	return;
}

mt_init函数设置了初始化了mt_tr的值，并设置了一个0.02s的定时器。这里超时后不向fifo中写入数据，因此不需要使用timer_init。mt_tr实际存放了TR寄存器的值，mt_taskswitch则根据当前mt_tr的值确定下一个mt_tr的值，重新设置定时器并且通过farjmp实行切换，还是比较简单的。

这样我们也需要修改一下inthandler20函数。

void inthandler20(int *esp)
{
	struct TIMER *timer;
	char ts = 0;
	io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);	
	timerctl.count++;
	if (timerctl.next > timerctl.count) {
		return;
	}
	timer = timerctl.t0;
	for (;;) {
		if (timer->timeout > timerctl.count) {
			break;
		}
		/* 超时 */
		timer->flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
		if (timer != mt_timer) {
			fifo32_put(timer->fifo, timer->data);
		} else {
			ts = 1; /* mt_timer超时 */
		}
		timer = timer->next; 
	}
	timerctl.t0 = timer;
	timerctl.next = timer->timeout;
	if (ts != 0) {
		mt_taskswitch();
	}
	return;
}

如果是mt_timer发生了超时，则将ts变量设置为1，在主程序中判断如果ts变量不为0，则执行mt_taskswitch进行任务切换。

为什么不在中断处理函数inthandler20中直接执行任务切换呢？

原因在于调用mt_taskswitch进行任务切换的过程中，中断允许标志IF的值可能会被重设为1(因为切换任务的同时会切换EFLAGS)。如果此时中断处理还没完成，开启中断，可能会有下一个中断进来，这样就会导致程序出错。

本篇的内容终于完成了。关于任务切换的基本过程，不清楚的知识还真不少，阅读了三遍才算基本理清。下一篇继续硬核的多任务，敬请期待。

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