纯x86汇编实现的多线程操作系统实践 - 第一章系统整体结构说明

news2024/11/24 0:07:00

现代CPU都是多核系统，拥有多个执行内核（即计算引擎），可并发执行不同的代码。

在CPU众多的执行内核中，有一个为主执行内核（BSP），在CPU上电后，该主执行内核会率先启动，执行硬盘0扇区的启动代码；其它执行内核为从执行内核（AP），上电后，从执行内核会处于stand by状态，等待被唤醒的信号。

BSP从硬盘读取AP的启动代码装入内存，再将代码首地址写入唤醒信号的数据段中。BSP在完成自身的初始化后，会向所有AP群发启动信号。

启动流程见下图：

各执行内核拥有独立的执行环境（GDT、IDT、eip、esp、段寄存器、通用寄存器、段式管理、页式管理等），可以将一个执行内核简单对应为一个单核CPU。

宗上所述，我们需要分别为BSP和AP提供启动和运行代码。下表描述了我们准备的代码的名字、存放的位置、主要的功能：

序号	文件名	存放位置	主要功能
1	mbr.bin	0扇区	BSP使用，使BSP从实模式进入32位保护模式
2	bp_32.bin	2~17扇区	BSP使用，32位保护模式下，初始化中断，使能键盘和鼠标，最后作为系统的监护线程持续运行
3	ap_16.bin	18扇区	AP使用，使AP从实模式进入32位保护模式
4	ap_32.bin	20~35扇区	AP使用，32位保护模式下，初始化中断，再进入用户态执行用户代码
5	task1.bin	36~37扇区	AP1的用户进程代码
6	Task2.bin	44~45扇区	AP2的用户进程代码

整体系统的内存部署如下图所示。由于系统段代码的虚拟地址，在BSP进入32位保护模式之前，被映射到虚拟地址的2G处，所以下表中的各段地址有两个，一个是映射前的虚拟地址，一个是映射后的虚拟地址：

段命名	页面	虚拟地址	说明
bios_int_page	0x0~0x0fff	0x0/0x80000000	实模式下BIOS的中断向量
gdt_global_addr	0x1000~0x1fff	0x1000/0x80001000	存放全局GDT段数据，所有执行内核都使用该GDT段
idt_global_addr	0x2000~0x2fff	0x2000/0x80002000	存放IDT段数据，所有执行内核都使用该IDT段
page_dir_addr	0x3000~0x3fff	0x3000/0x80003000	该页为所有执行内核的页目录
page_t0_addr	0x4000~0x4fff	0x4000/0x80004000	该页为为所有执行内核的0号页表
page_t380_addr	0x5000~0x5fff	0x5000/0x80005000	该页为为所有执行内核的第0x380号页表
page_t3BF_addr	0x6000~0x6fff	0x6000/0x80006000	该页为为所有执行内核的第0x3BF号页表
bios_setup_page	0x7000~0x7fff	0x7000/0x80007000	该页的0x7c00~0x7e00为BSP实模式启动代码
sys_share_page	0x8000~0x8fff	0x8000/0x80008000	该页用于进程间通信，存放AP间信号量、高精度时钟timer0的ticks值、AP到AP间的控制命令队列等
sys_backup_page1	0x9000~0x9fff	0x9000/0x80009000	备份页（1页），等待后续扩充
ap1_sys_stack_page	0xa000~0xafff	0xa000/0x8000a000	该页为AP1系统代码使用的堆栈
ap1_usr_page_dir	0xb000~0xbfff	0xb000/0x8000b000	该页为AP1用户进程的页目录
ap1_usr_page_t0	0xc000~0xcfff	0xc000/0x8000c000	该页为AP1用户进程的页表0
ap1_usr_sys_stack	0xd000~0xdfff	0xd000/0x8000d000	该页为AP1用户进程的系统堆栈
ap1_usr_code_page	0xe000~0xefff	0xe000/0x8000e000	该页为AP1用户进程的用户代码页
ap1_usr_stack_page	0xf000~0xffff	0xf000/0x8000f000	该页为AP1用户进程的用户堆栈页
ap2_sys_stack_page	0x10000~0x10fff	0x10000/0x80010000	该页为AP2线程系统代码使用的堆栈
ap2_usr_page_dir	0x11000~0x11fff	0x11000/0x80011000	该页为AP2用户进程的页目录
ap2_usr_page_t0	0x12000~0x12fff	0x12000/0x80012000	该页为AP2用户进程的页表0
ap2_usr_sys_stack	0x13000~0x13fff	0x13000/0x80013000	该页为AP2用户进程的系统堆栈
ap2_usr_code_page	0x14000~0x14fff	0x14000/0x80014000	该页为AP2用户进程的用户代码页
ap2_usr_stack_page	0x15000~0x15fff	0x15000/0x80015000	该页为AP2用户进程的用户堆栈页
bp_sys_code_page	0x16000~0x16fff	0x16000/0x80016000	该页为BSP线程的32位系统代码
bp_sys_code_page2	0x17000~0x17fff	0x17000/0x80017000	该页为BSP线程的32位系统代码备份页
bp_sys_stack_addr	0x18000~0x18fff	0x18000/0x80018000	该页用于BSP 32位保护模式下系统代码栈
bp_sys_mouse_data	0x19000~0x19fff	0x19000/0x80019000	该页为BSP线程使用，保存鼠标输入数据
bp_sys_keyboard	0x1a000~0x1afff	0x1a000/0x8001a000	该页为BSP线程使用，保存键盘输入数据
ap_setup_page	0x1b000~0x1bfff	0x1b000/0x8001b000	该页为AP线程实模式启动代码，由所有AP共用
ap_sys_code_page	0x1c000~0x1cfff	0x1c000/0x8001c000	该页为AP线程32位保护模式下系统代码，由所有AP共用
ap_sys_code_page2	0x1d000~0x1dfff	0x1d000/0x8001d000	该页为AP线程32位保护模式下系统代码备份页
sys_pic_save_addr	0x1e000~0x45fff	0x1e000/0x8001e000	保存字符图像数据的起始地址，当前使用了40K
sys_backup_page3	0x46000~0x9ffff	0x46000/0x80046000	备份页（90页，360K）
bios_sys_page	0xa0000~0xfffff	0xa0000/0x800a0000	BIOS使用。其中，文本模式显示区域起始地址0xb8000