《操纵系统真象还原》第八章（1）——内存管理系统

前言

前两天北方大风，不太好去实行室，《真象还原》的学习有所搁置，这两天继承。
第八章标题内存管理系统，下面分5节。分别是makefile相关、实现assert断言、实现字符串操纵函数、位图相关、内存管理系统。我们的博客也分成这几部分。
贴一下我的第七章博客链接和本章参考的love6博客链接：
《操纵系统真象还原》第七章（1）——中断-CSDN博客
《操纵系统真象还原》第七章（2）——中断-CSDN博客
《操纵系统真象还原》第八章 ---- 初入内存管理系统 涉足MakeFile 了解摸谈一二_makefile内存管理-CSDN博客

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makefile相关

简单来说makefile是一种脚本，由make指令实行。通过查验依赖文件的mtime是否比目标文件mtime新，决定是否实行makefile里的指令。
这部分内容在P358页，博客不再具体阐明，使用时多查阅即可。
根本语法

1. 目标文件:依赖文件
2. [Tab]命令

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跳转到目标处实行
实行完一个目标后就退出，不再实行背面的指令，格式如下

1. make 目标名称

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伪目标

1. .PHONY:伪目标名

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常见伪目标名称截图

自定义变量与系统变量

1. 自定义变量定义的格式：变量名=值(字符串)
2. 自定义变量引用的格式：$(变量名)

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系统变量表截图

隐含规则
反斜杠\是多行之间的连续符。井号#用来注释。
在缺少依赖文件时，make指令按照一些默认的习惯，用隐含的规则完善依赖文件。简单的说就是主动编译，根据源码文件.c、.cc、.C、.p生成目标文件.o。
主动化变量
一种能代表一类文件文件名的符号。

•                                         @                            ，表现规则中的目标文件名聚集，如果存在多个目标文件，                                  @，表现规则中的目标文件名聚集，如果存在多个目标文件，                     @，表现规则中的目标文件名聚集，如果存在多个目标文件，@则表现其中每一个文件名。助记，’@’ 很像是at，aim at，表现对准目标。
  
• $<，表现规则中依赖文件中的第1个文件。助记，‘<’很像是聚集的最左边，也就是第1个。
  
•                                                              ，                                      表现规则中所有依赖文件的聚集，如果聚集中有重复的文件，                                  ^，表现规则中所有依赖文件的聚集，如果聚集中有重复的文件，                     ，表现规则中所有依赖文件的聚集，如果聚集中有重复的文件，会主动去重。助记，’’很像从上往下 罩的动作，能罩住很大的范围，所以称为聚集。
  
• $?，表现规则中，所有比目标文件 mtime 更新的依赖文件聚集。助记，’?’表现疑问，make 最大的疑 问就是依赖文件的mtime是否比目标文件的mtime要新。
  

模式规则
就一句话，%用来匹配恣意多个非空字符。好比%.o代表所有以.o为结尾的文件，g%s.o是以字符g开头的所有以.o 为结尾的文件，make会拿这个字符串模式去文件系统上查找文件，默认为当前路径下。

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实现assert断言

简单来说就是写一个debug程序，如果内核运行过程中出错，这个程序告诉我们哪个文件哪个函数哪行出了问题，把相关信息打印到屏幕上，帮助我们解决问题。下面直接给出代码。
interrupt.c

新增部分是两行宏定义和四个函数。关于这个罗列体还有四个函数的声明，看下面的interrupt.h。

1. #define EFLAGS_IF 0x00000200   // 中断标志位IF,在EFLAGS寄存器中
2. #define GET_EFLAGS_IF(EFLAGS_VAR) asm volatile ("pushfl ; popl %0" : "=g" (EFLAGS_VAR)) // 获取中断标志位IF
4. /* 开启中断并返回开启中断之前的状态 */
5. enum intr_status intr_enable(void) {
6.    enum intr_status old_status;
7.    if(INTR_ON == intr_get_status()) {
8.       old_status= INTR_ON;        // 如果当前中断已经打开,则直接返回
9.       return old_status;
10.    }
11.    else {
12.       old_status = INTR_OFF;        // 如果当前中断关闭,则打开中断
13.       asm volatile ("sti");        // 开中断
14.       return old_status;
15.    }
16. }
18. /* 关闭中断并返回在关闭中断之前的状态 */
19. enum intr_status intr_disable(void) {
20.    enum intr_status old_status;
21.    if(INTR_OFF == intr_get_status()) {
22.       old_status = INTR_OFF;        // 如果当前中断已经关闭,则直接返回
23.       return old_status;
24.    }
25.    else {
26.       old_status = INTR_ON;        // 如果当前中断打开,则关闭中断
27.       asm volatile ("cli" : : : "memory");        // 关中断
28.       return old_status;
29.    }
30. }
32. /* 将中断状态设置为status */
33. enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status) {
34.    return (status & INTR_ON) ? intr_enable() : intr_disable();
35. }
37. /* 获取当前中断状态 */
38. enum intr_status intr_get_status(void) {
39.    uint32_t eflags = 0;
40.    GET_EFLAGS_IF(eflags);
41.    return (eflags & EFLAGS_IF) ? INTR_ON : INTR_OFF;
42. }

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interrupt.h

新增部分是一个罗列声明，四个函数声明，直接贴出完整代码

1. #ifndef __KERNEL_INTERRUPT_H
2. #define __KERNEL_INTERRUPT_H
3. #include "stdint.h"
4. typedef void* intr_handler;
5. void idt_init(void);
6. /* 定义中断的两种状态 */
7. /*关于枚举体enum，第一项默认值0,后面每项默认+1*/
8. enum intr_status {
9.     INTR_OFF,        // 关中断
10.     INTR_ON            // 开中断
11. };
12. enum intr_status intr_get_status(void);        // 获取中断状态
13. enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status);        // 设置中断状态
14. enum intr_status intr_enable(void);            // 打开中断
15. enum intr_status intr_disable(void);        // 关闭中断
16. #endif

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debug.h

放在kernel文件夹下。主要内容是assert的声明和打印函数的声明，代码如下。

1. #ifndef __KERNEL_DEBUG_H
2. #define __KERNEL_DEBUG_H
3. void panic_spin(char* filename, int line, const char* func, const char* condition);
4. /* __VA_ARGS__代表若干个参数，对应前面的... */
5. #define PANIC(...) panic_spin(__FILE__, __LINE__, __func__, __VA_ARGS__)
7. #ifdef NDEBUG
8. #define ASSERT(condition) ((void)0)
9. #else
10. #define ASSERT(condition) \
11.     if (condition){} \
12.     else { \
13.         PANIC(#condition); \ /*关于#，学名字符串化宏，相当于宏定义了""字符串标号*/
14.     }
15. #endif /*结束__NDEBUG*/
16. #endif /*结束__KERNEL_DEBUG_H*/

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debug.c

同样放在kernrl文件夹下，实现报错打印函数

1. #include "debug.h"
2. #include "print.h"
3. #include "interrupt.h"
5. /* 打印相关信息并悬停程序 */
6. void panic_spin(char* filename, int line, const char* func, const char* condition){
7.     intr_disable(); // 关闭中断
8.     put_str("\n\n\n!!!kernel panic!!!\n");
9.     put_str("filename:");put_str((char*)filename);put_str("\n");
10.     put_str("line:0x"); put_int(line);put_str("\n");
11.     put_str("function:");put_str((char*)func);put_str("\n");
12.     put_str("condition:");put_str((char*)condition);put_str("\n");
13.     while (1);
14. }

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main.c

简单修改一下内核，用来测试assert

1. #include "print.h"
2. #include "init.h"
3. #include "debug.h"
4. int main(void){
5.         put_str("HongBai's OS\n");
6.         init_all();
7.         asm volatile("sti");
8.         ASSERT(1 == 2); // 断言失败,会调用panic_spin函数
9.         while(1);
10. }

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makefile

相当于是写脚本，目的是编译、毗连、写入之前的文件，整体cv的love6的博客，修改了路径。如果要cv下面的代码，记得修改路径。

1. BUILD_DIR = ./build
2. ENTRY_POINT = 0xc0001500
3. AS = nasm
4. CC = gcc
5. LD = ld
6. LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/
7. ASFLAGS = -f elf
8. CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
9. LDFLAGS =  -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
10. OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \
11.       $(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o \
12.       $(BUILD_DIR)/debug.o
14. ##############     c代码编译                             ###############
15. $(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \
16.         lib/kernel/stdint.h kernel/init.h
17.         $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
19. $(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \
20.         lib/kernel/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h
21.         $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
23. $(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \
24.         lib/kernel/stdint.h kernel/global.h kernel/io.h lib/kernel/print.h
25.         $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
27. $(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/stdint.h\
28.         kernel/io.h lib/kernel/print.h
29.         $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
31. $(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \
32.         lib/kernel/print.h lib/kernel/stdint.h kernel/interrupt.h
33.         $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
36. ##############    汇编代码编译    ###############
37. $(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S
38.         $(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
40. $(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S
41.         $(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
43. ##############    链接所有目标文件    #############
44. $(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)
45.         $(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@
47. .PHONY : mk_dir hd clean all
49. mk_dir:
50.         if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fi
52. hd:
53.         dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \
54.            of=/home/hongbai/bochs/bin/c.img \
55.            bs=512 count=200 seek=10 conv=notrunc
57. clean:
58.         cd $(BUILD_DIR) && rm -f  ./*
60. build: $(BUILD_DIR)/kernel.bin
62. all: mk_dir build hd

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测试

我们make all，效果如下

运行一下bochs

实现了99%功能，就是打印的有点歪，bug应该出现在print.S里，留待后续修改。

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debug（无果）

先去研究了一下print.S，重写了一下换行回车部分代码

1. ;关于换行符：我们按照习惯，把换行回车结合起来，实现日常敲下enter的效果，所以换行=换行+回车
2. .is_line_feed:                        ;换行操作：光标挪到下一行行首
3.         ;内联的回车逻辑
4.         xor dx,dx
5.         mov ax,bx
6.         mov si,80
7.         div si       
8.         sub bx,dx
9.         ;单独的换行逻辑
10.         add bx,80                ;目前是本行行首，再加80就是下一行行首
11.         cmp bx,2000                ;是否清屏
12.         jl .set_cursor                ;bx<2000，即还在这一屏，就执行
14. .is_backspace:                        ;退格操作：光标bx前移一个显存位置，待删除位置补空格字符
15.         dec bx                        ;自减，前移到上一个坐标
16.         shl bx,1                ;左移1位，等价于*2，坐标位置*2=实际字节偏移量
17.         mov byte [gs:bx],0x20
18.         inc bx
19.         mov byte [gs:bx],0x07        ;上面三行代码等价于mov word [gs:bx],0x0720，即打印一个空格字符，属性是黑底白字。
20.         shr bx,1                ;右移1位，将地址重新转化为坐标
21.         jmp .set_cursor                ;将光标转移到新位置

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然而仍旧没解决问题