[自制操作系统] 第13回 磨刀不误砍柴工

目录
一、前景回顾
二、编写makefile
三、实现Assert断言
四、实现字符串操作函数
五、测试

 

一、前景回顾

　　上一回我们详细地讲解了整个系统的中断工作流程，整个中断系统比较难的地方在于中断的执行流程，我开始学的时候对这一块也是比较模糊的，感觉不知从何入手。现在已经很清楚整个流程了，这里可以给读者一个建议，想象自己是CPU，当接收到中断信号后，根据中断的处理流程去看代码，应该很快就能看懂代码，不要单独去看某一块代码，这样代入性不强。这一回先暂停主线任务，先腾出手来把一些准备工作给完善了。

二、编写makefile

　　这里为什么要插入makefile呢？在前面的代码中，如果读者都编译运行过的话，会发现实在是太太太麻烦了！每一个文件都要去编译，最后再链接。所以这里我们写一个自己的makefile，只需要一键make就可以。直接上代码：

BUILD_DIR = ./build
PATH1 = project/kernel
PATH2 = project/lib/kernel
PATH3 = project/lib/user
PATH4 = project/userprog
PATH5 = project/lib
INCLUDE = -I $(PATH1) -I $(PATH2) -I $(PATH3) -I $(PATH4) -I $(PATH5) 
SRC = $(wildcard $(PATH1)/*.c $(PATH2)/*.c $(PATH3)/*.c $(PATH4)/*.c $(PATH5)/*.c)
OBJ = $(patsubst %.c, $(BUILD_DIR)/%.o, $(notdir $(SRC))) $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/kernel.o 

kernel.bin: $(OBJ)
    ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o ./kernel.bin ./build/main.o ./build/print.o ./build/interrupt.o \
    ./build/kernel.o ./build/timer.o ./build/init.o ./build/debug.o ./build/string.o

mbr.bin: mbr.S
    nasm -I include/ mbr.S -o mbr.bin 

loader.bin: loader.S
    nasm -I include/ loader.S -o loader.bin 

install: mbr.bin loader.bin
    dd if=./mbr.bin of=./hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc 
    dd if=./loader.bin of=./hd60M.img bs=512 count=4 seek=2 conv=notrunc
    dd if=./kernel.bin of=./hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
    ./bin/bochs -f bochsrc.disk

#编译print.S
$(BUILD_DIR)/print.o : ./project/lib/kernel/print.S
    nasm -f elf -o $(BUILD_DIR)/print.o ./project/lib/kernel/print.S

#编译kernel.S
$(BUILD_DIR)/kernel.o : ./project/kernel/kernel.S
    nasm -f elf -o $(BUILD_DIR)/kernel.o ./project/kernel/kernel.S

#编译四个目录下的.c文件为对应的.o文件
$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH1)/%.c 
    gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH2)/%.c
    gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH3)/%.c
    gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH4)/%.c
    gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-builtin $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o : $(PATH5)/%.c
    gcc -m32 $(INCLUDE) -c -fno-stack-protector -fno-builtin $< -o $@

.PHONY:clean #防止 外面有clean文件 阻止执行clean
clean:
    -rm -rf $(BUILD_DIR)/*.o

　　我们新建了一个文件夹build，这个文件以后专门用于存放编译生成的.o文件。这里需要注意一个地方，因为考虑到ld链接的顺序，被依赖的文件应该放在前面。所以这里需要手动添加链接的文件。以后每新增一个.o文件，我们都需要自己手动修改一下makefile。这也是无奈之举。除了这个以外，我们以后只需要通过make就可以编译链接所有文件，通过make install命令就可以自动将生成的bin文件拷贝进硬盘并且启动系统。这个makefile我没有抄书上的，是根据自己的理解来写的。所以可能有些地方看起来很丑，不过能用就行了。

三、实现Assert断言

　　Assert断言是什么意思呢？我以前学习stm32的时候，有些时候看源代码会有这种代码出现：

　　

　　它就是一种Assert断言，什么意思呢？就是对传进来的表达式进行判断，如果为真就跳过，如果为假就报错。就是起到一种debug的作用，好让你知道当程序出错后，是错在哪个地方。在此之前，还需要完善一下interrupt.c和interrupt.h文件，然后在project/kernel目录下新建debug.c和debug.h文件。一并如下：

#include "interrupt.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "io.h"
#include "print.h"

#define IDT_DESC_CNT 0x81               //目前支持的中断数

#define PIC_M_CTRL  0x20                //主片的控制端口是0x20
#define PIC_M_DATA  0x21                //主片的数据端口是0x21
#define PIC_S_CTRL  0xa0                //从片的控制端口是0xa0
#define PIC_S_DATA  0xa1                //从片的数据端口是0xa1

#define EFLAGS_IF 0x00000200           //eflags寄存器的if位为1
#define GET_EFLAGS(EFLAGS_VAR)    asm volatile("pushfl;  popl %0" : "=g"(EFLAGS_VAR))

/*中断门描述符结构体*/
struct gate_desc {
    uint16_t func_offet_low_word; 
    uint16_t selector;
    uint8_t dcount;                 //此项为双字计数字段，是门描述符中的第4字节
    uint8_t attribute;
    uint16_t func_offet_high_word;
};

/*定义IDT表*/
static struct gate_desc idt[IDT_DESC_CNT];
extern intr_handler intr_entry_table[IDT_DESC_CNT];

char *intr_name[IDT_DESC_CNT];                //用于保存异常的名字
intr_handler idt_table[IDT_DESC_CNT];         //定义中断处理程序数组

/*通用的中断处理函数，一般用在异常出现时的处理*/
static void general_intr_handler(uint8_t vec_nr)
{
    if (vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f) {
        return ;
    }

    /*将光标置为0，从屏幕左上角清出一片打印异常信息的区域，方便阅读*/
    set_cursor(0);
    int cursor_pos = 0;
    while (cursor_pos < 320) {
        put_char(' ');
        cursor_pos++;
    }

    set_cursor(0);
    put_str("!!!!!!!!!!!exception message begin!!!!!!!!!");
    set_cursor(88);
    put_str(intr_name[vec_nr]);
    
    //如果为pagefault，将缺失的地址打印出来并且悬停
    if (vec_nr == 14) { 
        int page_fault_vaddr = 0;
        asm volatile ("movl %%cr2, %0": "=r" (page_fault_vaddr)); //cr2存放造成pagefault的虚拟地址
        put_str("\npage fault addr is: ");put_int(page_fault_vaddr);
    }
    put_str("!!!!!!!!!!!exception message end!!!!!!!!！!");
    //能进入中断处理程序就表示已经处于关中断的情况下，不会出现进程调度的情况，因此下面的死循环可以一直执行
    while (1);
}

/*完成一般中断处理函数注册及异常名称注册*/
static void exception_init(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < IDT_DESC_CNT; i++) {
        idt_table[i] = general_intr_handler;
        intr_name[i] = "unknow";
    }
    intr_name[0] = "#DE Divide Error";
    intr_name[1] = "#DB Debug Exception";
    intr_name[2] = "NMI Interrupt";
    intr_name[3] = "#BP Breakpoint Exception";
    intr_name[4] = "#OF Overflow Exception";
    intr_name[5] = "#BR BOUND Range Exceeded Exception";
    intr_name[6] = "#UD Invalid Opcode Exception";
    intr_name[7] = "#NM Device Not Available Exception";
    intr_name[8] = "#DF Double Fault Exception";
    intr_name[9] = "Coprocessor Segment Overrun";
    intr_name[10] = "#TS Invalid TSS Exception";
    intr_name[11] = "#NP Segment Not Present";
    intr_name[12] = "#SS Stack Fault Exception";
    intr_name[13] = "#GP General Protection Exception";
    intr_name[14] = "#PF Page-Fault Exception";
    // intr_name[15] 第15项是intel保留项，未使用
    intr_name[16] = "#MF x87 FPU Floating-Point Error";
    intr_name[17] = "#AC Alignment Check Exception";
    intr_name[18] = "#MC Machine-Check Exception";
    intr_name[19] = "#XF SIMD Floating-Point Exception";
}

/* 初始化可编程中断控制器8259A */
static void pic_init(void) {
   /* 初始化主片 */
   outb(PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.
   outb(PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中断向量号为0x20,也就是IR[0-7] 为 0x20 ~ 0x27.
   outb(PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接从片. 
   outb(PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式, 正常EOI

   /* 初始化从片 */
   outb(PIC_S_CTRL, 0x11);    // ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.
   outb(PIC_S_DATA, 0x28);    // ICW2: 起始中断向量号为0x28,也就是IR[8-15] 为 0x28 ~ 0x2F.
   outb(PIC_S_DATA, 0x02);    // ICW3: 设置从片连接到主片的IR2引脚
   outb(PIC_S_DATA, 0x01);    // ICW4: 8086模式, 正常EOI
   
   /*打开键盘和时钟中断*/
   outb(PIC_M_DATA, 0xfc);
   outb(PIC_S_DATA, 0xff);

   put_str("pic_init done\n");
}


/*创建中断门描述符*/
static void make_idt_desc(struct gate_desc *p_gdesc, uint8_t attr, intr_handler function)
{
    p_gdesc->func_offet_low_word = (uint32_t)function & 0x0000FFFF;
    p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;
    p_gdesc->dcount = 0;
    p_gdesc->attribute = attr;
    p_gdesc->func_offet_high_word = ((uint32_t)function & 0xFFFF0000) >> 16;
}

/*初始化中断描述符表*/
static void idt_desc_init(void)
{       
    int i = 0;
    for (i = 0; i <IDT_DESC_CNT; i++) {
        make_idt_desc(&idt[i], IDT_DESC_ATTR_DPL0, intr_entry_table[i]);
    }

    /* 单独处理系统调用，系统调用对应的中断门dpl为3
       中断处理程序为单独的syscall_handler */
    //make_idt_desc(&idt[0x80], IDT_DESC_ATTR_DPL3, syscall_handler);
    put_str("ide_desc_init done\n");
}

/*完成中断有关的所有初始化工作*/
void idt_init(void)
{
    put_str("idt_init start\n");
    idt_desc_init();
    exception_init();
    pic_init();

    /*加载idt*/
    uint64_t idt_operand = (sizeof(idt) - 1) | ((uint64_t)(uint32_t)idt << 16);
    asm volatile("lidt %0" : : "m"(idt_operand));
    put_str("idt_init done\n");
} 


/*在中断处理程序数组第vector_no个元素中注册安装中断处理程序*/
void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function)
{
    idt_table[vector_no] = function;
}


/*开中断，并且返回开中断前的状态*/
enum intr_status intr_enable(void)
{
    enum intr_status old_status;
    if (INTR_ON == intr_get_status()) {
        old_status = INTR_ON;
        return old_status;
    } else {
        old_status = INTR_OFF;
        asm volatile("sti");  //开中断
        return old_status;
    }
}

/*关中断，并且返回关中断前的状态*/
enum intr_status intr_disable(void)
{
    enum intr_status old_status;
    if (INTR_ON == intr_get_status()) {
        old_status = INTR_ON;
        asm volatile("cli": : : "memory");
        return old_status;
    } else {
        old_status = INTR_OFF;
        return old_status;
    }
}

/*将中断状态设置为status*/
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status)
{
    return status & INTR_ON ? intr_enable() : intr_disable();
}

/*获取当前中断状态*/
enum intr_status intr_get_status(void)
{
    uint32_t eflags = 0;
    GET_EFLAGS(eflags);
    return (EFLAGS_IF & eflags) ? INTR_ON : INTR_OFF;
}

#ifndef  __KERNEL_INTERRUPT_H
#define  __KERNEL_INTERRUPT_H
#include "stdint.h"
/*定义中断的两种状态
*INTR_OFF为0，表示关中断
*INTR_ON为1，表示开中断
*/
enum intr_status {
        INTR_OFF,     //中断关闭
        INTR_ON       //中断打开
};

typedef void* intr_handler;

void register_handler(uint8_t vector_no, intr_handler function);
enum intr_status intr_enable(void);
enum intr_status intr_disable(void);
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status);
enum intr_status intr_get_status(void);
void idt_init(void);
#endif

#include "debug.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
enum intr_status intr_disable(void);
void panic_spin(char *filename, int line, const char *func, const char *condition)
{
    intr_disable();
    put_str("\n\n\n!!!!! error !!!!!\n");
    put_str("filename:");put_str(filename);put_str("\n");
    put_str("line:0x");put_int(line);put_str("\n");
    put_str("function:");put_str((char *)func);put_str("\n");
    put_str("condition:");put_str((char *)condition);put_str("\n");
    while(1);
}

#ifndef  __KERNEL_DEBUG_H
#define  __KERNEL_DEBUG_H
void panic_spin(char *filename, int line, const char *func, const char *condition);

#define PANIC(...) panic_spin(__FILE__, __LINE__, __func__, __VA_ARGS__)
#ifdef NDEBUG
    #define ASSERT(...) ((void)0)
#else
#define ASSERT(CONDITION) \
if (CONDITION) {} else {  \
    PANIC(#CONDITION);    \
}
#endif
#endif

四、实现字符串操作函数

　　这个没什么好说的，就是一些基本的字符串操作函数，为方便后面的使用。在project/lib/kernel目录下新建string.c和string.h文件，代码如下：

#include "string.h"
#include "global.h"
#include "debug.h"

/*将dst_起始的size个字节置为value*/
void memset(void *dst_, uint8_t value, uint32_t size)
{
    ASSERT(dst_ != NULL);
    uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
    while (size-- > 0)
        *dst++ = value;
}

/*将src_起始的size个字节复制到dst_*/
void memcpy(void *dst_, const void *src_, uint32_t size)
{
    ASSERT((dst_ != NULL) && (src_ != NULL));
    uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
    const uint8_t *src = (const uint8_t *)src_;
    while (size-- > 0)
        *dst++ = *src++;
}

/*连续比较以地址a_和地址b_开头的size个字节，若相等则返回0，若a_大于b_，返回+1，否则返回-1*/
int memcmp(const void *a_, const void *b_, uint32_t size)
{
    ASSERT((a_ != NULL) && (b_ != NULL));
    const char *a = (const char *)a_;
    const char *b = (const char *)b_;
    while (size-- > 0) {
        if (*a != *b)
            return (*a > *b) ? 1 : -1;
        a++;
        b++;
    }
    return 0;
}

/*将字符串从src_复制到dst_*/
char *strcpy(char *dst_, const char *src_)
{
    ASSERT((dst_ != NULL) && (src_ != NULL));
    uint8_t *dst = (uint8_t *)dst_;
    const uint8_t *src = (const uint8_t *)src_;
    while((*dst++ = *src++)); //先将*src++赋值给*dst++，再判断*dst++是否为0
    return dst;
}

/*返回字符串长度*/
uint32_t strlen(const char *str)
{
    const char *p = str;
    while (*p++);
    return (p - str - 1);
}

/*比较两个字符串，若a_中的字符大于b_中的字符返回1，相等返回0，否则返回-1*/
int8_t strcmp(const void *a_, const void *b_)
{
    ASSERT((a_ != NULL) && (b_ != NULL));
    const char *a = (const char *)a_;
    const char *b = (const char *)b_; 
    if ((*a != 0) && (*a == *b)) {
        a++;
        b++;
    }
    return (*a < *b) ? -1 : *a > *b;    //这里的*a > *b，如果满足就是1，否则就是0，很巧妙
}

/*从左往右查找字符串str首次出现字符ch的地址*/
char *strchr(const char *str, const uint8_t ch)
{
    ASSERT(str != NULL);
    while (*str != 0) {
        if (*str == ch)
            return (char *)str;
        str++;
    }
    return NULL;
}

#ifndef  __LIB_STRING_H
#define  __LIB_STRING_H
#include "stdint.h"

void memset(void *dst_, uint8_t value, uint32_t size);
void memcpy(void *dst_, const void *src_, uint32_t size);
int memcmp(const void *a_, const void *b_, uint32_t size);
char *strcpy(char *dst_, const char *src_);
uint32_t strlen(const char *str);
int8_t strcmp(const void *a_, const void *b_);
char *strchr(const char *str, const uint8_t ch);

#endif

五、测试

　　最后我们来测试一下前面的ASSERT函数的功能。修改main函数如下，不要忘记还要在makefile中增加debug.o和string.o。

#include "print.h"
#include "init.h"
#include "debug.h"

int main(void)
{
    put_str("HELLO KERNEL\n");
    init_all();
    ASSERT(1==2);
    while(1); 
}

　　最终运行结果如下，也就说明我们的ASSERT函数成功。

　　

　　本回的内容就到此结束了，下一回合我们开始步入内存管理系统。欲知后事如何，请看下回分解。