Linux 0.11-初始化部分总结-21

Posted 2022-12-03 热爱编程的大忽悠

Linux 0.11-初始化部分总结-21

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初始化部分总结

这张图展示了整个系列的结构

那我们今天就来给第二部分做个梳理。

第二部分所讲的代码，就和第二部分的目录一样规整，一个 init 方法对应一个章节，简单粗暴。

void main(void) 
    ...
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();
    sti();
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) init();
    for(;;) pause();

如果坚持到这里了，先给自己鼓鼓掌！

这个过程，你可能觉得无聊，因为全是各种数据结构、中断、外设的初始化工作，后面将会怎么用它们，并没有展开讲解。

但你也可能觉得兴奋，因为后面操作系统的全部工作，都是围绕着这几个初始化了的结构展开的，而它们却都是那么的好理解。

其实我是蛮喜欢这个过程的，比如我看电影，其实我对高潮部分并不是很感兴趣，我就喜欢看一场大战或者一场阴谋前各部门的准备工作，看着它们为了后面一个完美的计划，所做的前期筹备，是一种享受，你懂的！

所以今天特地花一章的功夫，把之前的初始化工作梳理一遍，之前没仔细看的同学，这章是个重新开始的机会！

------- 开始 -------

电脑开机后，首先由 Bios 将操作系统程序加载到内存，之后在进入 main 函数前，我们用汇编语言（boot 包下的三个汇编文件）做了好多苦力活。

这些苦力活做好后，内存布局变成了这个样子。

其中页表的映射关系，被做成了线性地址与物理地址相同。

也因为有了页表的存在，所以多了线性地址空间的概念，即经过分段机制转化后，分页机制转化前的地址，不考虑段限长的话，32 位的 CPU 线性地址空间应为 4G。

以上这些，是进入 main 函数之前的事情，由 boot 文件夹下的三个汇编文件完成，具体可以看整个第一部分的总结：第一部分完结 进入内核前的苦力活

-------- 进入 main 函数后 ---------

进入 main 函数后，首先进行了内存划分，其实就是设置几个边界值，将内核程序、缓冲区、主内存三个部分划分开界限。这就是 第12回 | 管理内存前先划分出三个边界值 所做的事情。

随后，通过 mem_init 函数，对主内存区域用 mem_map[] 数组管理了起来，其实就是每个位置表示一个 4K 大小的内存页的使用次数而已，今后对主内存的申请和释放，其实都是对 mem_map 数组的操作。这是 第13回 | 主内存初始化 mem_init 所做的事。

后面又通过 buffer_init 函数，对缓冲区区域用多种数据结构管理起来。其中包括双向链表缓冲头 h 和每个缓冲头管理的 1024 字节大小的缓冲块 b。这是 第19回 | 缓冲区初始化 buffer_init 的内容。

同时，又用一个 hashmap 结构，索引到所有缓冲头，方便快速查找，为之后的通过 LRU 算法使用缓冲区做准备。

这些结构，就是缓冲区部分的管理，而缓冲区的目的是为了加速磁盘的读写效率，后面将读写文件全流程的时候，你会看到它在整个流程中起到中流砥柱的作用。

再往后，通过 trap_init 函数把中断描述符表的一些默认中断都设置好了，随后再由各个模块设置它们自己需要的个性化的中断（比如硬盘中断、时钟中断、键盘中断等）。这是 第14回 | 中断初始化 trap_init 的内容。

再之后，通过 blk_dev_init 对读写块设备（比如硬盘）的管理进行了初始化，比如对硬盘的读写操作，都要封装为一个 request 结构放在 request[] 数组里，后面用电梯调度算法进行排队读写硬盘。这是 第15回 | 块设备请求项初始化 blk_dev_init 的内容。

再往后，通过 tty_init 里的 con_init，实现了在控制台输出字符的功能，并且可以支持换行、滚屏等效果。当然此处也开启了键盘中断，如果此时中断已经处于打开状态，我们就可以用键盘往屏幕上输出字符啦。这是 第16回 | 控制台初始化 tty_init 的内容。

再之后，整个操作系统的精髓，进程调度，其初始化函数 shed_init，定义好了全部进程的管理结构 task[64] 数组，并在索引 0 位置处赋上了初始值，作为零号进程的结构体。这是 第18回 | 进程调度初始化 sched_init 的内容。

然后又将全局描述符表增添了 TSS 和 LDT，用来管理 0 号进程的上下文信息以及内存规划，结构里面具体是什么，先不用管哟。

同时，将这两个结构的地址，告诉 tr 寄存器和 ldt 寄存器，让 CPU 能够找到它们。

随后，开启定时器，以及设置了时钟中断，用于响应定时器每隔 100ms 发来的中断信号。

这样就算把进程调度的初始化工作完成了，之后进程调度就从定时器发出中断开始，先判断当前进程时间片是不是到了，如果到了就去 task[64] 数组里找下一个被调度的进程的信息，切换过去。

这就是进程调度的简单流程，也是后面要讲的一个非常精彩的环节。

最后最后，一个简单的硬盘初始化 hd_init，为我们开启了硬盘中断，并设置了硬盘中断处理函数，此时我们便可以真正通过硬盘的端口与其进行读写交互了。这是 第20回 | 硬盘初始化 hd_init 的内容。

把之前几个模块设置的中断放一块，此时的中断表我们看一下。

中断号	中断处理函数
0 ~ 0x10	trap_init 里设置的一堆
0x20	timer_interrupt
0x21	keyboard_interrupt
0x2E	hd_interrupt
0x80	system_call

这里我又提了一嘴，操作系统本质上就是个中断驱动的死循环，这个后面你会慢慢体会到。

而我们再往下看一行 main 方法。

#define sti() __asm__ ("sti"::)
void main(void) 
    ...
    sti();
    ...

是一个 sti 汇编指令，意思是打开中断。其本质上是将 eflags 寄存器里的中断允许标志位 IF 位置 1。（由于已经是 32 位保护模式了，所以我把寄存器也都偷偷换成了 32 位的名字）

这样 CPU 就开始可以接收并处理中断信号了，键盘可以按了，硬盘可以读写了，时钟可以震荡了，系统调用也可以生效了！

这就代表着，操作系统具有了控制台交互能力，硬盘读写能力，进程调度能力，以及响应用户进程的系统调用请求！

至此，全部初始化工作，就结束了！这里有几个初始化函数没有讲，都是可以忽略的，不要担心。

一个是 chr_dev_init，因为这个函数里面本身就是空的，什么也没做。

一个是 tty_init 里的 rs_init，这个方法是串口中断的开启，以及设置对应的中断处理程序，串口在我们现在的 PC 机上已经很少用到了，所以这个直接忽略。

还一个是 floppy_init，这个是软盘的初始化，软盘现在已经被淘汰了，且电脑上也没有软盘控制器了，所以也忽略即可。

除了这些之外，全部的初始化工作，我们就全部梳理清楚了！再次为我们这一阶段性的胜利，鼓掌吧！！！

同时，这章也会作为之后工作的一个索引章节，初始化工作所设置的所有数据结构都十分重要，后面如果你忘了，可以常来这里看看，祝大家好运。

欲知后事如何，且听下回分解。

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