【读书笔记-《30天自制操作系统》-19】Day20

news2024/11/16 17:35:16

本篇的内容围绕系统调用展开。为了让应用程序能够调用操作系统功能，引入了系统调用以及API的概念。首先实现了显示单个字符的API，让应用程序通过传递地址的方式进行调用；接下来又改进为通过中断的方式进行调用。在此基础上继续实现了显示字符串的API。

在这里插入图片描述

1. 显示单个字符的API：传递地址方式调用

应用程序调用操作系统功能，称为系统调用(system call)；而API是指应用程序与操作系统接口(application program interface)。

首先来实现显示单个字符的API。上一篇中显示字符的程序，我们改写成一个函数cons_putchar:

void cons_putchar(struct CONSOLE *cons, int chr, char move)
{
	char s[2];
	s[0] = chr;
	s[1] = 0;
	if (s[0] == 0x09) {	/* tab */
		for (;;) 
		{
			putfonts8_asc_sht(cons->sht, cons->cur_x, cons->cur_y, COL8_FFFFFF, COL8_000000, " ", 1);
			cons->cur_x += 8;
			if (cons->cur_x == 8 + 240) 
			{
				cons_newline(cons);
			}
			if (((cons->cur_x - 8) & 0x1f) == 0) 
			{
				break;	
			}
		}
	} 
	else if (s[0] == 0x0a) 
	{	
		cons_newline(cons);
	} 
	else if (s[0] == 0x0d) 
	{	
	} 
	else 
	{	
		putfonts8_asc_sht(cons->sht, cons->cur_x, cons->cur_y, COL8_FFFFFF, COL8_000000, s, 1);
		if (move != 0) 
		{
			cons->cur_x += 8;
			if (cons->cur_x == 8 + 240) 
			{
				cons_newline(cons);
			}
		}
	}
	return;
}

使用cons_putchar就可以输出单个字符。这样在应用程序中只需要调用cons_putchar就可以了。使用类似于下面的代码：

[BITS 32]
	MOV AL,'A'
	CALL	(cons_putchar函数地址)

fin:
	HLT
	JMP	fin

在汇编语言中，CALL指令与JMP指令类似，区别在于调用CALL指令时，为了能够在执行RET时正确返回，需要先将返回的目标地址PUSH到栈中。应用程序无法知道操作系统中函数的地址，因此这里不能在应用程序中直接调用cons_putchar函数，需要查到cons_putchar函数的地址后填写到应用程序的代码中。
又因为cons_putchar是C语言函数，将需要显示的字符通过写入寄存器的方式来进行参数传递，函数无法直接接收。因此这里还需要通过一个汇编语言函数将寄存器的值推入栈，再调用cons_putchar函数进行显示。

在这里插入图片描述调用cons_putchar函数，需要传入cons变量的地址。应用程序当然无法知道这个地址，需要操作系统传递。这里将这个地址放在0x0fec中，在asm_cons_putchar函数中从0x0fec地址中获取。

void console_task(struct SHEET *sheet, unsigned int memtotal)
{
……
	struct CONSOLE cons;
	char cmdline[30];
	cons.sht = sheet;
	cons.cur_x =  8;
	cons.cur_y = 28;
	cons.cur_c = -1;
	*((int *) 0x0fec) = (int) &cons;
……

_asm_cons_putchar:
		PUSH	1
		AND		EAX,0xff	; EAX高位置0，EAC置为存入字符编码的状态
		PUSH	EAX
		PUSH	DWORD [0x0fec]	; 从0x0fec中读取cons地址并PUSH
		CALL	_cons_putchar		; 调用cons_putchar显示字符
		ADD		ESP,12		; 丢弃栈中的数据
		RET

到这里还没有完成，应用程序还不知道asm_cons_putchar的地址，无法对其进行调用。先运行make，会生成bootpack.map的文件，用文本编辑器打开，可以找到如下的行：

0x00000BE3 : _asm_cons_putchar

这就是asm_cons_putchar函数的地址，可以将其填入到应用程序中：

[BITS 32]
	MOV AL,'A'
	CALL	0xbe3

fin:
	HLT
	JMP	fin

这样就可以运行应用程序了。在命令行中输入hlt并回车，却发现QEMU出错关闭了。

这是什么原因呢？

原来应用程序在对API执行CALL指令时需要加上段号。我们给应用程序设置的段号为1003，而操作系统的段位2，不能使用普通的CALL，而应使用fat-CALL。与far-JMP指令一样，fat-CALL指令需要指定段号和偏移量。相应地，RET指令也需要使用RETF来代替。

[BITS 32]
	MOV AL,'A'
	CALL	2*8:0xbe3

fin:
	HLT
	JMP	fin

_asm_cons_putchar:
	PUSH	1
	AND		EAX,0xff	; EAX高位置0，EAC置为存入字符编码的状态
	PUSH	EAX
	PUSH	DWORD [0x0fec]	; 从0x0fec中读取cons地址并PUSH
	CALL	_cons_putchar		; 调用cons_putchar显示字符
	ADD		ESP,12		; 丢弃栈中的数据
	RETF

这样修改之后再运行hlt，就可以正常显示了：

在这里插入图片描述
应用程序完成字符显示之后就进入了HLT循环，相当于就这样卡住了。是否能让其回到操作系统继续执行其他命令呢？

我们可以将HLT部分改成RET。前文使用JMP来运行应用程序，这里也需要改成CALL。
由于CALL调用的程序位于不同的段，其实是far-CALL，因此对应地也要使用RETF。首先编写一个函数farcall:

_farcall:		;void farcall(int eip, int cs);
	CALL	FAR [ESP + 4]	;eip, cs
	RET

改写调用应用程序的部分如下：

void cmd_hlt(struct CONSOLE *cons, int *fat)
{
	struct MEMMAN *memman = (struct MEMMAN *) MEMMAN_ADDR;
	struct FILEINFO *finfo = file_search("HLT.HRB", (struct FILEINFO *) (ADR_DISKIMG + 0x002600), 224);
	struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) ADR_GDT;
	char *p;
	if (finfo != 0) {
		p = (char *) memman_alloc_4k(memman, finfo->size);
		file_loadfile(finfo->clustno, finfo->size, p, fat, (char *) (ADR_DISKIMG + 0x003e00));
		set_segmdesc(gdt + 1003, finfo->size - 1, (int) p, AR_CODE32_ER);
		farcall(0, 1003 * 8);// 用CALL代替JMP
		memman_free_4k(memman, (int) p, finfo->size);
	} else {
		putfonts8_asc_sht(cons->sht, 8, cons->cur_y, COL8_FFFFFF, COL8_000000, "File not found.", 15);
		cons_newline(cons);
	}
	cons_newline(cons);
	return;
}

不过重新编译之后，asm_cons_putchar函数的地址发生了变化，对应修改应用程序中的地址：

[BITS 32]
	MOV AL,'A'
	CALL	2*8:0xbe8
	RETF

这样运行结束后就可以退回到操作系统了。还可以显示一个简单的字符串：

[BITS 32]
		MOV		AL,'h'
		CALL    2*8:0xbe8
		MOV		AL,'e'
		CALL    2*8:0xbe8
		MOV		AL,'l'
		CALL    2*8:0xbe8
		MOV		AL,'l'
		CALL    2*8:0xbe8
		MOV		AL,'o'
		CALL    2*8:0xbe8
		RETF

在这里插入图片描述
2. 显示单个字符的API：中断方式调用

如上面所展示的，如果修改了操作系统的代码，相应函数的地址发生了变化，用这种通过地址调用的方式就总要修改应用程序的代码，这样会很麻烦。

为了解决这个问题，我们回想一下前面介绍过的中断处理函数。IDT中最多可以注册256个函数，出了IRQ0-15以外，还有很多空闲，我们可以从中找一个注册asm_cons_putchar函数。比如选择0x40号：

void init_gdtidt(void)
{
……

	/* IDT设置 */
	set_gatedesc(idt + 0x20, (int) asm_inthandler20, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x21, (int) asm_inthandler21, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x27, (int) asm_inthandler27, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x2c, (int) asm_inthandler2c, 2 * 8, AR_INTGATE32);
	set_gatedesc(idt + 0x40, (int) asm_cons_putchar, 2 * 8, AR_INTGATE32);

……
}

这样只需要使用INT 40指令就可以调用asm_cons_putchar函数了，应用程序的代码可以修改如下：

[BITS 32]
		MOV		AL,'h'
		INT		0x40
		MOV		AL,'e'
		INT		0x40
		MOV		AL,'l'
		INT		0x40
		MOV		AL,'l'
		INT		0x40
		MOV		AL,'o'
		INT		0x40
		RETF

使用INT指令来调用asm_cons_putchar函数，会被视为中断处理，会自动调用CLI来禁止中断请求，而实际上这里并非中断，我们应该允许此时接收中断，因此在开头使用STI允许中断请求；返回指令也需要使用IRETD：

_asm_cons_putchar:
		STI
		PUSH	1
		AND		EAX,0xff	
		PUSH	EAX
		PUSH	DWORD [0x0fec]	
		CALL	_cons_putchar
		ADD		ESP,12		; 
		IRETD

这样修改下来，应用程序就不用总是随着操作系统的修改而修改了。

3. 显示字符串的API

既然已经实现了显示单个字符的API，我们还可以更进一步，实现显示字符串的API，毕竟显示字符串的函数应用更多。显示字符串的API一般有两种实现方式：一种是依次显示字符串中的字符，直到’\0’结束；另一种是指定显示字符串的长度。

void cons_putstr0(struct CONSOLE *cons, char *s)
{
	for (; *s != 0; s++) {
		cons_putchar(cons, *s, 1);
	}
	return;
}

void cons_putstr1(struct CONSOLE *cons, char *s, int l)
{
	int i;
	for (i = 0; i < l; i++) {
		cons_putchar(cons, s[i], 1);
	}
	return;
}

这样前文显示字符串的部分都可以用以上的函数进行替换了。

有了显示字符串的函数，如何变成API呢？还是采用注册中断函数的方法。不过中断号毕竟还是有限的，如果每个函数都注册一个中断号，中断号还是很容易就被占满的。这里我们可以仿照BIOS的调用，通过传入不同的功能号，只用一个INT就可以选择调用多个不同的函数了。

  • 功能号1： 显示单个字符(AL = 字符编码)
  • 功能号2： 显示字符串函数0(EBX = 字符串地址)
  • 功能号3： 显示字符串1(EBX = 字符串地址，ECX = 字符串长度)

asm_cons_putcha修改为新的函数：

_asm_hrb_api:
		STI
		PUSHAD	; 用于保存寄存器的PUSH
		PUSHAD	; 用于向hrb_api传值的PUSH
		CALL	_hrb_api
		ADD		ESP,32
		POPAD
		IRETD

处理函数hrb_api:

void hrb_api(int edi, int esi, int ebp, int esp, int ebx, int edx, int ecx, int eax)
{
	struct CONSOLE *cons = (struct CONSOLE *) *((int *) 0x0fec);
	if (edx == 1) {
		cons_putchar(cons, eax & 0xff, 1);
	} else if (edx == 2) {
		cons_putstr0(cons, (char *) ebx);
	} else if (edx == 3) {
		cons_putstr1(cons, (char *) ebx, ecx);
	}
	return;
}

这样应用程序通过传入不同的功能号调用asm_hrb_api函数，hrb_api就会根据传入参数来选择不同的函数。再把IDT中的0x40号函数修改成asm_hrb_api函数就可以了。

参数变了，应用程序也需要进行改写一下：

[INSTRSET "i486p"]
[BITS 32]
		MOV		EDX,2
		MOV		EBX,msg
		INT		0x40
		RETF
msg:
		DB	"hello",0

运行结果如下：
在这里插入图片描述
并没有显示出任何内容？这是什么原因呢？下一篇我们来继续解决，敬请期待。

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