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一个操作系统的设计与实现——第22章 64位任务

时间:2024-09-01 10:26:03浏览次数:4  
标签:__ 操作系统 22 任务 64 TSS

22.1 64位TSS与TSS描述符

想要实现任务,就需要先安装好TSS与TSS描述符。

64位TSS如下图所示:

如图所示,64位TSS的大小不变,还是104字节。64位CPU淘汰了硬件任务切换和数据段寄存器,因此,64位TSS的组成与32位TSS完全不同,其已不具备保存寄存器的功能,其中的大部分字节用于中断栈表(Interrupt Stack Table,IST),这个功能在我们的操作系统中没有使用。在我们的操作系统中,TSS的作用是取得0特权级栈,这与32位操作系统一样。

64位TSS描述符与中断门类似:在32位TSS描述符的基础上增加了8字节,用于存放TSS地址的高32位,如下图所示:

22.2 实现64位任务

想要实现任务加载,就需要先实现硬盘驱动。硬盘驱动的实现位于本章代码22/HD.h22/HD.s中,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。

想要实现任务切换,就需要先实现带关中断功能的任务队列。任务队列的实现位于本章代码22/Queue.h22/Queue.hpp中,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。

接下来,请看本章代码22/Mbr.s

第155行,在GDT中增加TSS描述符,其索引值为7。TSS固定放置在0xffff800000092000处。

接下来,请看本章代码22/Task.h

第7~14行,定义了TCB。我们需要关注此结构体部分成员的偏移量:

  • __tcbNode中有两个指针,所以__CR3的偏移量是0x10
  • __RSP0的偏移量是0x18
  • __taskQueue的偏移量是0x20

这些偏移量稍后将用在汇编语言中。

第16~23行,声明了任务队列,以及任务的各类接口。

接下来,请看本章代码22/Task.hpp

第10行,定义了任务队列和退出队列。

__tssInit函数用于安装TSS、TR以及IA32_GS_BASE

第14行,将TSS清零。TSS只有104字节,但这里写的是128字节,这样做的目的是:将TSS拓展到128字节,多出的字节保留给后续章节使用。

第15行,填写TSS的IO位图基址字段,如果这个值大于等于TSS限长,则IO位图不存在。

第17行,加载TR。

TSS在0xffff800000092000处,在任务切换时,我们需要访问TSS,并安装新的RSP0。TSS的地址是64位的,因此在访问前需要先使用mov指令。不过,还有更方便的办法:将fs/gs的段基址直接设定为0xffff800000092000,然后基于fs/gs访问TSS。

fs/gs的段基址可由IA32_FS_BASEIA32_GS_BASE这两个MSR设定,其编号分别为0xc00001000xc0000101,将edx:eax拼成一个64位的地址即可。在我们的操作系统中,选用的是gs

第18行,将IA32_GS_BASE设定为0xffff800000092000

__kernelTaskInit函数用于安装内核任务的TCB。TCB的__RSP0成员在任务切换时设定,__vBitmap成员用于3特权级任务,因此这两个成员无需设定。

taskInit函数是主函数。

getTCB函数用于获取当前TCB。TCB与0特权级栈位于同一页,因此,只需要将RSP0向下对齐到页边界即可。

__getRFLAGS函数用于获取一个打开IF位rflags。该函数在伪造栈时使用。

loadTaskPL0loadTaskPL3函数用于加载任务,其实现思路与32位操作系统一致,这里不再赘述。

需要注意的是:与32位操作系统不同,新操作系统的外壳程序不再具备等待任务的功能,任务在运行期间的行为类似于Linux的后台任务。因此,不再有shellQueueloadTaskPL3函数的末尾也不再立即进行任务切换。

deleteTask函数用于回收exitQueue中的TCB。

接下来,请看本章代码22/Task.s

taskExit函数用于任务退出。

第13行,回收任务内存空间中的所有内存,在我们的操作系统中,这部分内存包括任务的ELF文件要求的内存,以及任务的3特权级栈。

第15~19行,将任务的TCB加入exitQueue

第21行,跳转至__nextTask。这个地址位于Int.s,作用是从taskQueue中取出一个新的TCB,并切换到新任务。

接下来,请看本章代码22/Int.s

intTimer函数现在用于任务切换。

第79~81行,计算当前任务的TSS。

第83行,将rsp保存到TSS的__RSP0成员中。

第85~87行,将TSS加入TSS的__taskQueue成员所指定的任务队列中。

第89行,声明了taskExit函数使用的__nextTask标签。

第91~93行,从taskQueue中取出一个新的TSS。

第95~96行,安装新任务的PML4。

第98行,安装新任务的栈。

第100~101行,将新任务的0特权级栈安装到TSS中。这里使用了先前设定的IA32_GS_BASE

第103~119行,从中断返回到新任务。

22.3 编译与测试

本章代码22/Test.c用于测试3特权级任务。我们虽然已经实现了任务退出函数,但还没有为其安装系统调用,因此任务是不能退出的。

本章代码22/Makefile增加了Task.sHD.sTest.c的编译与链接命令。

本章代码22/Kernel.c测试了loadTaskPL3deleteTask函数。由于3特权级任务什么都不能做,因此读者可在bochsdbg中观察测试结果。

标签:__,操作系统,22,任务,64,TSS
From: https://www.cnblogs.com/yingyulou/p/18391064

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