《30天自制操作系统》笔记(06)——CPU的32位模式

《30天自制操作系统》笔记(06)——CPU的32位模式

进度回顾

上一篇中实现了启用鼠标、键盘的功能。屏幕上会显示出用户按键、点击鼠标的情况。这是通过设置硬件的中断函数实现的，可以说硬件本身的设计就具有事件驱动的性质，所以软件层面上才有基于事件的消息机制。

但上一篇没有说明中断的来龙去脉，本篇就从头到尾描述一下CPU与此相关的设置问题。

Segment

32位的CPU使用32条地址线，能区分2³²=4G个内存地址。每个内存地址都有1Byte的内容。

分段，就是将4GB的内存分成很多块（block），每一块的起始地址都看作0来处理。有了这个功能，任何程序都可以先写上一句"ORG 0"，一个应用程序就不会占用别人的内存空间，这样就可以同时运行多个程序。像这样分割出来的块，就称为段(segment)。还有一种"分页"的技术，这里不讨论。

为了表示一个段，需要记录以下信息：

• 段的起始地址
• 段的大小
• 段的管理属性（禁止写入，执行，系统专用等）

这些信息需要用8个字节保存。使用段的方式是和调色板神似的：DS是16位，理论上能够表示2¹⁶=65536个段。但由于CPU设计上的原因，低3位不能用，因此DS只能表示2¹³=个段（即第0个~第8191个）。

在16位模式下，如果写"MOV AL, [DS:EBX]"，那么要计算的地址是DS*16+EBX。在32位模式下，则应该是DS表示的段(segment)的起始地址+EBX。

另外，如果写成"MOV AL, [EBX]"，则汇编器认为这等同于"MOV AL, [DS:EBX]"。这一点在16位和32位模式下是一致的。

要存储8192个段，就需要占用8192*8=65536Byte=64KB的内存空间。这64KB的数据就称为GDT (Global segment Descriptor Table)即"全局段号记录表"。

将这64K的GDT整齐地排列在内存某处，再将其起始地址和有效设定个数放在CPU内被称作GDTR的48bit寄存器中，GDT的设定就完成了。

段的起始地址、大小、管理属性这些信息是按bit保存的，十分复杂，暂时不要理会。

IDT

当CPU遇到外部情况变化，或是内部发生某些错误时，会临时切换过去处理这种突发事件。这就是中断功能。键盘按键、鼠标按键、鼠标移动、除0等都会引发中断。有了中断机制，CPU就不需要一直查询这些低速设备的状态，将时间用在处理任务上。

因此，要使用鼠标键盘，就必须使用中断机制，即设置IDT。

IDT(Interrupt Descriptor Table)即"中断记录表"。IDT记录了0~255的中断号与调用函数之间的对应关系。当发生了123号中断，就会调用对应的函数。其设置方式与GDT是相似的，IDT的每一项也需要8Byte保存，这8Byte里包括中断处理函数名（即C语言中的函数指针）。

另外，必须先设置GDT后设置IDT。原因不详。

PIC

PIC(Programmable Interrupt Controller)即"可编程中断控制器"。它是一个硬件芯片。

当键盘鼠标发生按键、移动时，PIC就会向CPU发送电信号，然后CPU要求PIC发送2个Byte来（其内容为"0xcd 0x??"，实际上是机器语言的INT指令），CPU还真就把PIC送来的这2个Byte看作一条指令执行。其结果是调用IDT中对应的函数。

PIC的设定基本上都是固定死的几行代码，暂时不用理会。

进入32位模式

进入32位模式实际上很简单，按照一定的步骤将某些寄存器（CR0等）设置为特定的值就行了。也有点繁琐，暂时不理会。

操作系统程序被加载到内存中的什么地方才行？这个没有特别的规定，根据自己的偏好分给OS一些内存空间就行了。不过有些内存空间放着BIOS等程序，而且大部分高地址的内存是要给应用程序使用的。因此OS程序的空间分配也不要太随意了。下图是HariboteOS设计的内存分布图。

总结

本文以轻量从简的态度简单说明了OS启动时要初始化的大部分东西，即GDT、IDT、PIC、32位模式。我个人认为这些都是细节，应该进行封装。后续的内存管理、多任务才是OS设计的核心内容。

请查看下一篇《《30天自制操作系统》笔记(07)——内存管理》