OS 开发备忘

显示（VGA TEXT MODE）

• 要在 VGA 文本模式下将字符打印到屏幕上，必须将其写入 VGA 硬件的文本缓冲区。
• VGA 文本缓冲区是一个二维数组，通常有 25 行 80 列，可直接渲染到屏幕上。
• 每个数组条目通过以下格式描述一个屏幕字符：

Bit(s)	Value
0-7	ASCII 字符，8bit
8-11	前景色，4bit
12-14	背景色，3bit
15	闪烁，1bit

如何设计（伪代码）：

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(u8)]
pub enum Color {
    Black = 0,
    Blue = 1,
    Green = 2,
    // 蓝绿
    Cyan = 3,
    Red = 4,
    // 洋红
    Magenta = 5,
    Brown = 6,
    LightGray = 7,
    DarkGray = 8,
    ...
}

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(transparent)]
/// 表示颜色代码
struct ColorCode(u8);
impl ColorCode {
    fn new(foreground: Color, background: Color) -> ColorCode {
        ColorCode((background as u8) << 4 | (foreground as u8))
    }
}

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(C)]
/// 表示写入 buffer 中的字符，由字符和颜色构成
struct ScreenChar {
    // 第一字节
    ascii_character: u8,
    // 第二字节
    color_code: ColorCode,
}

/// vga text buffer 的数组大小
const BUFFER_HEIGHT: usize = 25;
const BUFFER_WIDTH: usize = 80;

#[repr(transparent)]
struct Buffer {
    chars: [[Volatile<ScreenChar>; BUFFER_WIDTH]; BUFFER_HEIGHT],
}

CPU 异常

IDT Interrupt Descriptor Table

• 为了捕捉和处理异常，我们必须建立一个所谓的中断描述符表（IDT）。
• 在该表中，我们可以为每个 CPU 异常指定一个处理函数（handler function）。
• 硬件会直接使用该表，因此我们需要遵循预定义的格式。
• 每个条目必须具有以下 16 字节结构（一个u16需要2字节，下面的表格共有16字节）：

类型	名称	描述
u16	Function Pointer [0:15]	handler function 指针低位.
u16	GDT selector	GDT（见下文） 代码片段的选择器.
u16	Options	(见下文)
u16	Function Pointer [16:31]	handler function 指针中位.
u32	Function Pointer [32:63]	handler function 指针其余位.
u32	保留

Options（16bit） 遵从如下格式：

位	名称	描述
0-2	Interrupt Stack Table Index	0: Don’t switch stacks, 1-7: Switch to the n-th stack in the Interrupt Stack Table when this handler is called.
3-7	保留
8	0: Interrupt Gate, 1: Trap Gate	0 代表不中断
9-11	必须是1
12	必须是0
13‑14	Descriptor Privilege Level (DPL)	调用此函数需要的最低权限等级.
15	Present

CPU异常详见此处。

CPU 异常处理的大致步骤

1. 将一些寄存器推入堆栈，包括指令指针和 RFLAGS 寄存器。(我们稍后将使用这些值）。
2. 从中断描述符表（IDT）中读取相应的条目。例如，当发生页面故障时，CPU 会读取第 14 个条目。
3. 检查条目是否存在，如果不存在，则引发双重故障(double fault)。
4. 如果条目是中断门（未设置第 40 位，也就是 Options 表第 8 位），则禁用硬件中断。
5. 将指定的 GDT 选择器载入 CS（代码段）。
6. 跳转到指定的处理函数。

如何设计（直接使用现有的 crate）：

x86_64 IDT

断点异常 (breakpoint exception)

• 当用户设置断点时，调试器会用 int3 指令覆盖相应的指令，这样 CPU 在运行到该行时就会抛出断点异常。
• 当用户想继续运行程序时，调试器会再次用原来的指令替换 int3 指令，然后继续运行程序。

使用 x86-interrupt 实现的一个断点异常处理函数示例：

use crate::println;
use x86_64::structures::idt::{InterruptDescriptorTable, InterruptStackFrame};

use lazy_static::lazy_static;

lazy_static! {
    static ref IDT: InterruptDescriptorTable = {
        let mut idt = InterruptDescriptorTable::new();
        idt.breakpoint.set_handler_fn(breakpoint_handler);
        idt
    };
}

pub fn init_idt() {
    IDT.load();
}

extern "x86-interrupt" fn breakpoint_handler(stack_frame: InterruptStackFrame) {
    println!("EXCEPTION: BREAKPOINT\n{:#?}", stack_frame);
}

#[test_case]
fn test_breakpoint_exception() {
    // 触发一次断点异常
    x86_64::instructions::interrupts::int3();
}

双重异常（double fault）

双重故障是 CPU 无法调用异常处理程序时出现的一种特殊异常。

例如，当页面故障被触发，但中断描述符表（IDT）中没有注册页面故障处理程序时，就会出现这种情况。

因此，它有点类似于有异常的编程语言中的 catch-all 块，如 C++ 中的 catch(…) 或 Java 或 C# 中的 catch(Exception e)。

双重故障的行为与普通异常类似。我们可以在 IDT 中为它定义一个普通的处理函数。

提供双重故障处理程序非常重要，因为如果双重故障未得到处理，就会发生致命的三重故障。三重故障无法被捕获，大多数硬件都会做出系统复位的反应。

硬件中断(Hardware Interrupts)

中断提供了一种从硬件设备通知 CPU 的方法。

因此，与其让内核定期检查键盘是否键入新字符（这一过程称为轮询），不如让键盘在每次按键时通知内核。

这样做效率更高，因为内核只需在发生事情时采取行动。由于内核可以立即做出反应，而不是在下一次轮询时才做出反应，因此反应时间也更快。

将所有硬件设备直接连接到 CPU 是不可能的。相反，一个独立的中断控制器会汇总来自所有设备的中断，然后通知 CPU：

                                    ____________             _____
               Timer ------------> |            |           |     |
               Keyboard ---------> | Interrupt  |---------> | CPU |
               Other Hardware ---> | Controller |           |_____|
               Etc. -------------> |____________|

8259 可编程中断控制器 (programmable interrupt controller (PIC))

英特尔 8259 是 1976 年推出的可编程中断控制器 (PIC)。
它早已被较新的 APIC 所取代，但出于向后兼容的考虑，其接口在当前系统中仍受支持。

8259 有八条中断线路和几条与 CPU 通信的线路。以前的典型系统配置有两个 8259 PIC 实例，一个主 PIC，一个辅助 PIC，分别与主 PIC 的一条中断线相连：

                       ____________                              ____________
1. Real Time Clock --> |            |   1. Timer -------------> |            |
2. ACPI -------------> |            |   2. Keyboard-----------> |            |      _____
3. Available --------> | Secondary  |   ----------------------> | Primary    |     |     |
4. Available --------> | Interrupt  |   4. Serial Port 2 -----> | Interrupt  |---> | CPU |
5. Mouse ------------> | Controller |   5. Serial Port 1 -----> | Controller |     |_____|
6. Co-Processor -----> |            |   6. Parallel Port 2/3 -> |            |
7. Primary ATA ------> |            |   7. Floppy disk -------> |            |
8. Secondary ATA ----> |____________|   8. Parallel Port 1----> |____________|

每个控制器可通过两个 I/O 端口（一个命令端口和一个数据端口）进行配置。对于主控制器，这些端口分别为 0x20（命令）和 0x21（数据）。

对于辅助控制器，它们分别是 0xa0（命令）和 0xa1（数据）。

内存保护，分段、分页(Segmentation, Paging)

操作系统有责任将不同程序的内存隔离开来，以保证安全性。

x86 架构有两种方法实现内存隔离，分段和分页。

分段

分段实际上引入了虚拟内存技术。

碎片化

分段容易产生碎片化，造成空间浪费。

分页

分页将虚拟内存和物理内存都划分为更小、固定大小的区域。

这些被划分出的一块块 block，在虚拟内存被称为 page，
在物理内存则称为 frame。

Page Table

虚拟内存中的 page 和物理内存中的 frame 一一对应信息存储的地方。