编写实模式多任务操作系统模型之（1）

操作系统是计算机软件系统的重要组成部分，它起着管理计算机软硬件资源、控制计算机的正常运行及为各类用户提供使用接口等诸多功能，是其它各类应用软件赖以存在的基础。

由于操作系统软件多数以公司模式集体开发，并以成品软件的形式进行发售，使得用户只能局限于操作系统所提供的使用界面及系统功能调用上，对于系统底层的运行机制的理解只能局限于一些表面现象上，不能深入把握操作系统内部的运作机理，即使以源码形式提供的，也由于其规模庞大、特征繁多，使得用户不可能在短时间内完全掌握运行机制。为了能充分了解操作系统的功能实现，自己亲自动手编写一个小型的，或是实现部分功能的操作系统模型，而后逐步完善不失为一种好方法。本文所述的这一操作系统模型即是在这方面的一次尝试。

功能及特点

1.实现在x86实模式下分时的多任务功能。

2.PC机自检完成后可以完成机器的引导。

3.引导成功后可以使3个进程并行运行，分别运行于自身的程序空间内，完成自身计数器的计值工作，并采用直接写屏方式输出到屏幕上。

4.有一个内核级键盘中断处理程序。

5.软件规模小巧，易于研读、理解和实践，以及进行功能的增强和拓展。

6.程序分模块编写，功能明确，界限清晰。

7.对于机器的配置要求极低,以Intel 80x86 处理器为CPU的PC机、VGA彩色显示器、3英寸软驱即可。

运行机制

众所周知，Intel 80386以上的CPU具有实模式和保护模式两种工作方式，处于保护模式的CPU在硬件上支持存储器管理、虚拟地址、分页、保护等功能，具有多任务切换机制，是现今的多用户多任务操作系统如Windows、Linux、FreeBSD 等所采用的工作方式。而工作于实模式80386 及以上的CPU相当于高性能的8086 CPU ，本身在硬件上不具备多任务的切换机制,那末，在x86的实模式下是否可以实现现多任务功能呢？答案是肯定的，利用软件进行模拟。

本程序在系统时钟中断的驱动下，利用软件方式在x86 CPU实模式下实现了一个多任务操作系统模型，可以启动机器，并在屏幕上显示由3个并行进程输出的各自程序计数器。 在宏观上，3个进程在并行运行。在微观实现上，通过时钟中断的控制，3个进程依次轮流占用CPU完成各自的工作，即每当发生时钟中断，Kernel内的调度程序被激活，顺序将下一个先前被剥夺运行权的进程赋予运行权，使其可以占用CPU运行，当再次发生时钟中断时，当前运行的进程被强行中断运行，调度程序将其断点信息保存到该进程的堆栈区，待下次运行时再将其恢复,而后调度程序选择下一进程，使其转入运行状态。整个系统循环往复，直到关机。

相关背景知识

本程序全部利用汇编语言在x86实模式下编程，为能深入理解程序的工作原理，必须了解PC机相关软硬件知识。下面对相关内容进行简单叙述。

1.PC机自举过程简述

PC机在通电后至操作系统接管控制前，要进行一系列的自检及初始化过程，包括对内存、外设等硬件的检测。在检测过程中若存在严重错误则停机。若无则试图根据CMOS内的配置信息读取启动盘上的引导记录bootsector。通常先从软盘启动（本文默认从软盘启动），将软盘上0面0道1扇区的512字节读入到内存0000:7c00h地址处，而后跳到该地址处执行，这时机器便由软件接管控制。

通常操作系统都由一个引导程序进行引导，引导程序的主要作用在于将操作系统的内核读入内存，而后转到内核去执行，由内核接管机器的所有控制，包括内存管理、进程管理、设备管理、处理机管理等。上述启动盘上的引导记录就是一个引导程序，在该操作系统模型的实现中，boot.asm程序即起到这样功能的程序，后面将结合具体代码进行详细介绍。

2.PC机的中断向量表结构

中断是改变程序运行环境的一种机制，它可以使CPU暂停当前程序的执行，转去执行引发中断的中断源的中断服务程序。在中断服务程序执行完毕后，再接着原来的程序执行。中断可以通过中断指令int xx或由外部的硬件设备产生。中断向量表即提供当中断发生时，如何转向中断服务程序的方法。在中断向量表中存放了相应中断服务程序的入口地址，这一入口地址称为中断向量，它由段地址和偏移组成，即CS：IP。 PC机中的中断向量表位于低端内存区的1KB存储器中，绝对地址为：00000H～003FFH， 其中的每个中断向量占4个字节，CS占2个字节（占高地址区），IP占2个字节（占低地址区）。给定一个中断类型号，即可通过如下的方式取得中断向量的段地址及偏移：

CS=[中断类型号*4]

IP=[中断类型号*4+2]

3.PC机屏蔽中断的内部处理过程

PC机中断发生时，若中断标志I=1（中断允许），则有如下的内部动作：

◆ 将中断类型号*4，得到中断向量表的指针;

◆ 将CPU的标志寄存器Flag入栈;

◆ 将中断标志I和陷阱标志T清0;

◆ 将主程序断点处的CS及IP分别压入堆栈保存;

◆ 从中断向量表中取得中断服务程序的入口地址，分别送到CS 和IP中;

◆ 转到中断服务程序去执行。

对于软件中断，则不判断中断标志的状态，直接执行a～f的处理过程。

在用户所写的中断服务程序的末尾，要有一条中断返回指令iret，控制程序流由中断服务程序返回到主程序中，它所完成的内部处理如下：

◆ 将先前压栈保存的端点从堆栈弹出，送到CS和IP中;

◆ 执行popf操作，恢复标志寄存器Flag;

◆ 从主程序的端点处继续运行。

4.PC机的过程调用

PC机的过程调用通过call指令产生，它的处理过程与中断过程相似，但无标志寄存器的处理，具体如下所示。

远过程调用：call far farentry

◆ 将返回地址（call指令的下一指令）的CS及IP压栈；

◆ 以farentry的偏移及段地址送入IP及CS；

◆ 转到farentry去执行。

远过程调用返回：RETF

◆ 将返回地址弹出到IP及CS；

◆ 从返回地址处继续执行程序。

对于近过程调用，则调用时只保存返回地址的IP，过程结束时只恢复IP。

5.汇编语言相关知识

本程序在Linux下用nasm进行编译。nasm是一个功能强大的开源代码的汇编语言编译程序，其语法与Intel语法相似，可以产生纯二进制的指令代码，也可以产生a.out及ELF格式的目标代码，通过连接器连接便可生成直接由操作系统运行的程序。这里用它产生二进制格式的指令代码，这是一种内存映像，加载到内存便可直接运行。关于NASM编译器的详细信息可参考相关资料。