操作系统开发系列—13.a.进程 ●

进程的切换及调度等内容是和保护模式的相关技术紧密相连的，这些代码量可能并不多，但却至关重要。

我们需要一个数据结构记录一个进程的状态，在进程要被挂起的时候，进程信息就被写入这个数据结构，等到进程重新启动的时候，这个信息重新被读出来。

在很多情况下，进程和进程调度是运行在不同的层级上的。这里本着简单的原则，我们让所有任务运行在ring1，而让进程切换运行在ring0.

诱发进程切换的原因不只一种，比较典型的情况是发生了时钟中断。但并非在每一次时钟中断时都一定会发生进程切换，不过这里为了容易理解和实现，每次中断都切换一次进程。

下面介绍一下进程切换时的情形，如下图所示：

1.进程A运行中。

2.时钟中断发生，ring1—>ring0，时钟中断处理程序启动。

3.进程调度，下一个应运行的进程（假设为进程B）被指定。

4.进程B被恢复，ring0—>ring1.

5.进程B运行中。

只有可能被改变的才有保存的必要。所以我们要把寄存器的值统统保存起来，准备进程被恢复执行时使用。

一条pushad指令可以保存许多寄存器值。

进程栈和内核栈如下图：

进程栈——进程运行时自身的堆栈。

进程表——存储进程状态信息的数据结构。

内核栈——进程调度模块运行时使用的堆栈。

对于有特权级变换的转移，如果由外层向内层转移时，需要从TSS中取得从当前TSS中取出内层ss和esp作为目标代码的ss和esp。所以我们必须事先准备好TSS。由于每个进程相对独立，我们把涉及到的描述符放在局部描述符表LDT中，所以我们还需要为每个进程准备LDT。

整个程序的大致流程是：

	sgdt	[gdt_ptr]	; cstart() 中将会用到 gdt_ptr
	call	cstart		; 在此函数中改变了gdt_ptr，让它指向新的GDT
	lgdt	[gdt_ptr]	; 使用新的GDT

	lidt	[idt_ptr]

	jmp	SELECTOR_KERNEL_CS:csinit

首先走kernel.asm的_start——这里调用start.c的cstart函数

cstart函数——主要是将loader中的GDT复制到新的GDT中

紧接着调用init_prot()函数——init_prot函数在protect.c中，主要是初始化8259A和全部中断门，此函数的最后是填充GDT中TSS这个描述符，紧接着填充GDT中进程的LDT的描述符。

此时cstart结束。

然后执行csinit——先加载ltr（TSS），然后进入kernel_main

kernel_main函数——是在main.c中定义的，此函数首先初始化进程的进程表的各个属性，进程表的定义在proc.h中，然后最后执行restart函数

restart函数在kernel.asm中定义，如下：

restart:
	mov	esp, [p_proc_ready]
	lldt	[esp + P_LDT_SEL]
	lea	eax, [esp + P_STACKTOP]
	mov	dword [tss + TSS3_S_SP0], eax

	pop	gs
	pop	fs
	pop	es
	pop	ds
	popad

	add	esp, 4

	iretd

restart是进程调度的一部分，同时也是我们的操作系统启动第一个进程时的入口。

首先让esp指向将要运行的进程的进程表，然后加载ldt指向的是进程表的ldt_selector，restart最后两行的作用是将s_proc这个结构中第一个结构体成员regs的末地址赋给TSS中ring0堆栈指针域（esp）。我们可以想象，在下一次中断发生时，esp将变成regs的末地址，然后进程ss和esp两个寄存器值，以及eflags还有cs、eip这几个寄存器值将依次被压栈，放到regs这个结构的最后面（不要忘记堆栈是从高地址向低地址生长的），最后通过iretd指令执行并进入进程TestA。

对于p_proc_ready，编译器在编译时会产生一个符号表，记录了符号名和它的地址。对于指针变量，符号表里记录的是指针的地址，通过该地址取到所指变量的真实地址，最后取到的才是所指变量的值。

IRETD 指令先弹出一个32位的EIP值，然后再弹出一个32位值并将最低的2个字节值传入CS寄存器，最后再弹出一个32位的标志寄存器值

lea——

比如： LEA AX,BUF
就是将存储器中BUF所指的地址传送给AX.
区别MOV传送指令：
    MOV传送的是地址所指的内容，而LEA只是地址。

还有从低特权级到高特权级转移的时候，需要用到TSS

p_proc_ready应该是一个指向进程表的指针，存放的便是下一个要启动进程的进程表的地址。而且其中的内容必然是以下图所示的顺序进行存放，这样才会使pop和popad指令执行后各寄存器的内容更新一遍。

p_proc_ready是一个结构类型指针：struct s_proc*。s_proc这个结构体的第一个成员也是一个结构s_stackframe，它的内容安排与我们的推断完全一致。

进程的状态统统被存放在s_proc这个结构体中，s_proc这个结构就应该是我们提到过的“进程表”。当要恢复一个进程时，便将esp指向这个结构体的开始处，然后运行一系列的pop命令将寄存器值弹出。进程表的开始位置结构图如下图所示：

接下来lldt这个指令是设置ldtr的。esp + P_LDT_SEL是s_proc中的成员ldt_sel。restart最后两行的作用是将s_proc这个结构中第一个结构体成员regs的末地址赋给TSS中ring0堆栈指针域（esp）。

一个进程开始之前，必须初始化的寄存器列表：cs、ds、es、fs、gs、ss、esp、eip、eflags。

我们在Loader中就把gs对应的描述符DPL设为3，所以进程中的代码是有权限访问显存的。

在第一个进程正式开始之前，其核心内容便是一个进程表以及与之相关的TSS等内容。如下图所示：

这个图看起来有点复杂，但是如果将其化整为零，可以分为4个部分，那就是进程表、进程体、GDT和TSS。它们之间的关系大致分为三个部分：

1.进程表和GDT。进程表内的LDT Selector对应GDT中的一个描述符，而这个描述符所指向的内存空间就存在于进程表内。

2.进程表和进程。进程表是进程的描述，进程运行过程中如果被中断，各个寄存器的值都会被保存进进程表中。但是在我们的第一个进程开始之前，并不需要初始化太多内容，只需要知道进程的入口地址就足够了。另外由于程序免不了用到堆栈，而堆栈是不受程序本身控制的，所以还需要事先指定esp。

3.GDT和TSS。GDT中需要有一个描述符来对应TSS，需要事先初始化这个描述符。

第一步，首先来准备一个小的进程体。

void TestA()
{
	int i = 0;
	while(1){
		disp_str("A");
		disp_int(i++);
		disp_str(".");
		delay(1);
	}
}

在之前我们调用指令sti打开中断之后就用hlt指令让程序停止以等待中断的发生。但在这里我得把hlt注释掉。还有由于在完成进程的编写之前，要让程序停住，所以我们用一个死循环作为它的结束。

PUBLIC int kernel_main()
{
...
	while(1){}
}

第二步，初始化进程表。

要初始化进程表，首先要有进程表结构的定义，proc.h的STACK_FRAME。global.c的NR_TASKS定义了最大允许进程，我们把它设为1.初始化进程表的代码在main.c的kernel_main()函数。

进程表需要初始化的主要有3个部分：寄存器、LDT Selector和LDT。LDT Selector被赋值为SELECTOR_LDT_FIRST，LDT里面共有两个描述符，为简化起见，分别被初始化成内核代码段和内核数据段，只是改变了一下DPL以让其运行在低的特权级下。

要初始化的寄存器比较多，cs指向LDT中第一个描述符，ds、es、fs、ss都设为指向LDT中的第二个描述符，gs仍然指向显存，只是其RPL发生改变。

接下来eip指向TestA，这表明进程将从TestA的入口地址开始运行。另外esp指向了单独的栈，栈的大小为STACK_SIZE_TOTAL。

最后一行是设置eflags，0x1202恰好设置了IF位并把IOPL设为1.这样，进程就可以使用I/O指令，并且中断会在iretd执行时被打开（kernel.asm中的sti指令已经被注释掉了）。

一定要记得LDT跟GDT是联系在一起的，别忘了填充GDT中进程的LDT的描述符。如下：

	/* 填充 GDT 中进程的 LDT 的描述符 */
	init_descriptor(&gdt[INDEX_LDT_FIRST],
		vir2phys(seg2phys(SELECTOR_KERNEL_DS), proc_table[0].ldts),
		LDT_SIZE * sizeof(DESCRIPTOR) - 1,
		DA_LDT);

最后再初始化填充TSS以及对应的描述符：

	/* 填充 GDT 中 TSS 这个描述符 */
	memset(&tss, 0, sizeof(tss));
	tss.ss0 = SELECTOR_KERNEL_DS;
	init_descriptor(&gdt[INDEX_TSS],
			vir2phys(seg2phys(SELECTOR_KERNEL_DS), &tss),
			sizeof(tss) - 1,
			DA_386TSS);
	tss.iobase = sizeof(tss); /* 没有I/O许可位图 */

------------加载-----------------
	xor	eax, eax
	mov	ax, SELECTOR_TSS
	ltr	ax

由于进程的各寄存器值如今已经在进程表里面保存好了，现在我们只需要让esp指向栈顶，然后将各个值弹出就行了。最后一句iretd执行以后，eflags会被改变成pProc->regs.eflags的值。我们事先置了IF位，所以进程开始运行之时，中断其实也已经被打开了，这对以后的程序很重要。

restart:
	mov	esp, [p_proc_ready]
	lldt	[esp + P_LDT_SEL]
	lea	eax, [esp + P_STACKTOP]
	mov	dword [tss + TSS3_S_SP0], eax

	pop	gs
	pop	fs
	pop	es
	pop	ds
	popad

	add	esp, 4

	iretd

启动进程（main.c），restart实现ring0->ring1的跳转：

	p_proc_ready	= proc_table;
	restart();

运行如下：

【源码】