从0开始写操作系统（一） ---前置知识

现在是周末早上，昨天晚上刚感叹要早睡，现在就开始感叹要早起。

尤其是周末，早上的时间确实很宝贵

这次由于课程兴趣，想尝试从0开始写操作系统，后面可能还会有从0开始写编译器

~~至于为什么开始搞底层，开发太卷了，而且我关注的好多博主都失业了。。。~~

(一天后撤回上一句)还是开发吧 Q A Q

概览

整个实验的步骤

启动操作系统的bootloader，用于了解操作系统启动前的状态和要做的准备工作，了解运行操作系统的硬件支持，操作系统如何加载到内存中，理解两类中断--“外设中断”，“陷阱中断”等；
物理内存管理子系统，用于理解x86分段/分页模式，了解操作系统如何管理物理内存；
虚拟内存管理子系统，通过页表机制和换入换出（swap）机制，以及中断-“故障中断”、缺页故障处理等，实现基于页的内存替换算法；
内核线程子系统，用于了解如何创建相对与用户进程更加简单的内核态线程，如果对内核线程进行动态管理等；
用户进程管理子系统，用于了解用户态进程创建、执行、切换和结束的动态管理过程，了解在用户态通过系统调用得到内核态的内核服务的过程；
处理器调度子系统，用于理解操作系统的调度过程和调度算法；
同步互斥与进程间通信子系统，了解进程间如何进行信息交换和共享，并了解同步互斥的具体实现以及对系统性能的影响，研究死锁产生的原因，以及如何避免死锁；
文件系统，了解文件系统的具体实现，与进程管理等的关系，了解缓存对操作系统IO访问的性能改进，了解虚拟文件系统（VFS）、buffer cache和disk driver之间的关系。

总结：

启动
内存
- 物理
- 虚拟
内核线程，用户进程
处理器
进程间通信（同步互斥）
文件系统

前置知识

环境搭建

Ubuntu 22.04

更新 vim

sudo apt update
#或 sudo apt upgrade vim

安装 build-essential

一个封装好的工具包，包含了 gcc , make , C标准库等工具

sudo apt-get install build-essential

安装QEMU

QEMU用于模拟一台x86计算机，让ucore能够运行在QEMU上

sudo apt-get install qemu-system

GCC

简单的gcc编译示例

/*test.c*/
#include <stdio.h>
int
main(void)
{
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

编译

gcc -Wall hello.c -o hello

-Wall 和 -o 都为编译选项

-Wall : 开启编译器几乎所有常用的警告

-o : 生成可执行文件

内嵌汇编

以下示例均以X86汇编的AT&T语法为准

GCC基本内联汇编
- 示例
```
asm( "pushl %eax\n\t"
     "movl $0,%eax\n\t"
     "popl %eax"
);    
```
  - 基本的比较简单，暂不介绍，给出一份GPT解释：
    1. 它使用 pushl 指令将寄存器%eax的值推送（压入）到堆栈（栈顶），即将%eax的当前值保存在堆栈上。
    2. 接下来，它使用 movl 指令将常数值0加载到寄存器%eax中，将%eax的值设置为0。
    3. 最后，它使用 popl 指令将先前保存在堆栈上的值弹出（出栈）到寄存器%eax中，这将恢复%eax的原始值，即之前保存的值。
  - tips：这里的 l 都是立即数的意思
GCC扩展内联汇编
- 示例1
```
#define read_cr0() ({ \
    unsigned int __dummy; \
    __asm__( \
        "movl %%cr0,%0\n\t" \
        :"=r" (__dummy)); \
    __dummy; \
})
```
  解释如下：
  1. #define read_cr0() ({：这是一个C语言宏的定义，名为 read_cr0，它没有参数。
  2. unsigned int __dummy;：在宏中定义了一个名为 __dummy 的无符号整数型局部变量，用于存储从控制寄存器 CR0 读取的值。
  3. __asm__(：这是内联汇编块的开始标记，表示以下部分包含汇编代码。
  4. "movl %%cr0,%0\n\t"：这是一条汇编指令，使用 movl 指令将 CR0 寄存器的内容移动到输出操作数 %0 中。%%cr0 表示访问 CR0 寄存器的值，%0 表示输出操作数。
  5. :"=r" (__dummy));：这是汇编约束（constraint）部分，它告诉编译器如何处理输出操作数 %0。"=r" 表示将 %0 分配给一个通用寄存器，并且 %0 的值将被存储在 __dummy 变量中。
  6. __dummy;：在宏的最后，返回 __dummy 变量的值。
  这段代码的作用是使用汇编指令读取控制寄存器 CR0 的值，然后将该值存储在 __dummy 变量中，并最终返回这个值。通常，读取控制寄存器的值是为了访问系统的某些配置信息或状态。这个宏可以在C代码中以函数调用的方式使用，以读取和访问 CR0 寄存器的内容
  
  tips :
  - 这里的%%cr0 是为了防止与C发生冲突（参考printf格式化输出）
  - 这里的%0表示输出操作数（%0是指定的占位符），正常来说 %1，%2 都表示输入操作数
  - $1,$ 2 表示常数立即数
- 示例2
```
int count = 1;
int value = 1;
int buf[10];

void main() {
    asm(
        "cld\n"            // 清除方向标志位 (Clear Direction Flag)，确保字符串操作从低地址向高地址写入
        "rep\n"            // 重复执行指令
        "stosl"            // 将值写入内存 (Store Doubleword in String)
    :
    : "c" (count), "a" (value), "D" (buf[0])  // 输入和输出操作数
    : "%ecx", "%edi"     // 选择受影响的寄存器
    );
}
```
  解释如下：
  1. int count = 1; 和 int value = 1;：这两行定义了两个整数变量 count 和 value，并初始化它们的值为1。
  2. int buf[10];：这行定义了一个整数数组 buf，包含10个元素。
  3. asm(...)：这是内嵌汇编的开始。内嵌汇编允许在C代码中嵌入汇编指令。
  4. "cld\n"：这是汇编指令，它执行 cld 操作，清除了方向标志位，确保后续的字符串操作从低地址向高地址写入数据。默认情况下，方向标志位是设置的，可能导致字符串操作反向执行。
  5. "rep\n"：这个部分是 rep 前缀，它用于重复执行下一个指令。
  6. "stosl"：这是 stosl 汇编指令，它用于将一个双字（32位整数）存储到目的地内存中。在这个上下文中，它用于将 value 存储到 buf[0] 处。
  7. 输入操作数：在 asm 语句的冒号后面，有一个用于输入操作数的部分。它告诉编译器如何将C变量映射到汇编操作数。例如，"c" (count) 表示将C变量 count 映射到汇编操作数 %ecx，"a" (value) 表示将C变量 value 映射到汇编操作数 %eax，"D" (buf[0]) 表示将C变量 buf[0] 映射到汇编操作数 %edi。
  8. 受影响的寄存器：在冒号后的第三个部分列出了受影响的寄存器。%ecx 和 %edi 是受到汇编代码影响的寄存器。
  它给出的汇编如下：
```
movl count,%ecx
    movl value,%eax
    movl buf,%edi
    #APP
    cld
    rep
    stosl
    #NO_APP
```
  tips：一开始觉得教程有问题，来回问GPT后懂了一点（3.5真的很差劲啊，有钱一定要升4，QAQ）
  - 受影响的寄存器中没有写 eax 这是因为 eax 存在的目的就是为了让 value 存入 buf[0]，而不是为了让 eax 输出
  - count 其实是用到了这和 stos 本身特性有关，他会执行 ecx 上的次数