自主操作系統(tǒng)LMOS-00.04發(fā)布啦

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        恍恍然三個(gè)月過(guò)去了，也三個(gè)月沒(méi)寫點(diǎn)什么了，這三個(gè)月我倒是寫了不少代碼，是時(shí)侯把lmos拿出來(lái)說(shuō)說(shuō)了，這將是lmos的第四個(gè)開(kāi)發(fā)版。今年的三個(gè)月已經(jīng)完了，又只有9個(gè)月了，時(shí)間緊迫的孩紙們要抓緊啦，其實(shí)開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)內(nèi)核就是要足夠的時(shí)間，時(shí)間越多越好，可往往不如我愿，時(shí)間總是不夠用。
      先來(lái)說(shuō)說(shuō)lmos第四個(gè)開(kāi)發(fā)版有什么新的特性吧。
      1、從這個(gè)版本開(kāi)始，lmos不在支持32位x86體系結(jié)構(gòu)了，而是支持更先進(jìn)那么一點(diǎn)點(diǎn)的64位x86體系結(jié)構(gòu)了，它的名字叫AMD64。
      2、lmos這個(gè)版本開(kāi)始擁有虛擬內(nèi)存了。這個(gè)說(shuō)起來(lái)很復(fù)雜，那就等會(huì)兒在說(shuō)。
      3、lmos從這個(gè)版本開(kāi)始，支持從U盤啟動(dòng)了，當(dāng)然有個(gè)前提，那就是你的計(jì)算機(jī)主板必須支持從U
盤這類USB介質(zhì)引導(dǎo)你的計(jì)算機(jī)，這點(diǎn)給想要在物理機(jī)上驗(yàn)證和搗鼓lmos的朋友提供了方便。
      為什么lmos從32位突然之間就變成全64位的了，是因?yàn)槲议_(kāi)發(fā)虛擬內(nèi)存管理器在32位下受到了嚴(yán)重的局限性。后來(lái)一想以后反正要支持64位的，不如趁早，以免日后麻煩。其實(shí)現(xiàn)在物理機(jī)的內(nèi)存容量已經(jīng)超過(guò)4GB了。x86——64體系結(jié)構(gòu)是AMD公司最先定義出來(lái)的，這就是為什么叫AMD64的原因。實(shí)現(xiàn)AMD64體系結(jié)構(gòu)的時(shí)候，他們的工程師被要求這樣，要保證原有32位的os和app，能夠不經(jīng)過(guò)任何修改就能運(yùn)行在AMD64體系結(jié)構(gòu)上。64位的OS能夠執(zhí)行未經(jīng)修改的32位app。在這些保證下還要盡量改進(jìn)x86.你不得不驚嘆搞x86的工程師們有多偉大、有多痛苦，呵呵。其實(shí)AMD64體系結(jié)構(gòu)改得還是不錯(cuò)的。段 幾乎不起作用了，TSS的作用也改變了，中斷的棧也更加規(guī)范了，寄存器全64位了而且寄存器還多了不少，看來(lái)他們也知道x86的寄存器太少了，頁(yè)表也是4層了，支持4KB，2MB，1GB這幾種大小的頁(yè)面。LMOS是全64位的內(nèi)核，同時(shí)也要求應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)也是64位的，LMOS不會(huì)兼容32位的程序。AMD64的寄存器雖然是64位的，但并不代表它可以訪問(wèn)0～0xffffffffffffffff之間所有的物理地址，事實(shí)上在當(dāng)前的AMD64體系結(jié)構(gòu)的CPU上只有48根地址線，甚至更少。那么它是怎么做的呢，它要求64位寄存器從48位開(kāi)始用符號(hào)位擴(kuò)展，也就是說(shuō)CPU只能訪問(wèn)這兩個(gè)區(qū)間的地址：0～0x00007fffffffffff和
0xffff800000000000～0xffffffffffffffff，如果你訪問(wèn)0x800000000000～0xffff800000000000之間的地址CPU會(huì)產(chǎn)生異常。但這一實(shí)現(xiàn)非常有利于日后的擴(kuò)展，我這有幅圖大家可以看看：
    
      這一改變佐證了LMOS的可移植性，因?yàn)長(zhǎng)MOS內(nèi)核有硬件抽象層的概念，我只花了幾個(gè)周的時(shí)間寫了個(gè)64位的硬件抽象層，然后把這個(gè)層和上層硬件無(wú)關(guān)的層鏈接起來(lái)就完事兒了。也就是說(shuō)我要把LMOS移植到ARM體系結(jié)構(gòu)上，只要寫個(gè)ARM的硬件抽象層外加少許改動(dòng)就行了，這種設(shè)計(jì)使lmos成為通用操作系統(tǒng)變成可能。
      在來(lái)看看這一版本中l(wèi)mos的虛擬內(nèi)存管理器。虛擬內(nèi)存在操作系統(tǒng)理論書籍中只花很少篇幅介紹了那么一點(diǎn)點(diǎn)，實(shí)際中虛擬內(nèi)存可謂重中之重，可謂是操作系統(tǒng)內(nèi)核的內(nèi)核。先看看LMOS這一版本中虛擬內(nèi)存管理器的總框架圖，我畫的很簡(jiǎn)陋，大家看看吧：
     
      為什么虛擬內(nèi)存管理是內(nèi)核的內(nèi)核，我舉個(gè)例子吧。比如操作系統(tǒng)要描述一個(gè)線程，那么就必須要定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示一個(gè)線程，（說(shuō)句題外話，我現(xiàn)在才真正明白，C語(yǔ)言書前面那句話：“程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”）好了回來(lái)，這個(gè)表示線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有在內(nèi)存中有了真正的實(shí)例，程序（內(nèi)核）才能工作。內(nèi)核為支持多線程那么這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)例就需要很多，比如可能有2000個(gè)線程你總不能靜態(tài)的定義2000個(gè)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)組，這樣確實(shí)能夠工作，但是這樣使用內(nèi)存太低效了，太不智能了，因?yàn)橛锌赡苡袝r(shí)系統(tǒng)中只有兩三個(gè)線程，這時(shí)就浪費(fèi)了內(nèi)存，如果有時(shí)系統(tǒng)中超過(guò)2000個(gè)線程時(shí)，這時(shí)你沒(méi)辦法了。類似這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中是非常多的，通常只有幾10字節(jié)、幾100字節(jié)到1KB之間。既然靜態(tài)的不行，就只有用動(dòng)態(tài)的方法，那就是：要用的時(shí)侯就分配并初始化一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例，不要時(shí)就釋放這個(gè)實(shí)例所占用的內(nèi)存空間。LMOS這個(gè)版本重新實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更為先進(jìn)的內(nèi)存池，來(lái)處理這種問(wèn)題，先說(shuō)了這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有10字節(jié)、幾100字節(jié)到1KB之間。你總不能一次就分配一個(gè)頁(yè)面，這叫浪費(fèi)。內(nèi)存池就是為解決這個(gè)問(wèn)題的。
      現(xiàn)代意義的操作系統(tǒng)，好像都有保護(hù)、安全這種類概念，這些概念是怎么實(shí)現(xiàn)的呢，CPU提供了一些機(jī)制。把一部分關(guān)鍵指令規(guī)定為特權(quán)指令，把程序里出現(xiàn)的訪存地址規(guī)定為虛擬地址，要通過(guò)地址映射部件映射之后，才能訪問(wèn)真正的物理內(nèi)存。這兩套機(jī)制形成了編寫現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基石。這使得每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)獨(dú)立的地址空間，而這個(gè)空間由于權(quán)力不同，可以被分為，用戶空間和內(nèi)核空間。這樣就形成了一個(gè)“保護(hù)”的概念。這些概念在lmos中是如何利用的呢，這有個(gè)圖：
     
      由上可知，x86——64下 只能訪問(wèn)兩個(gè)區(qū)間的地址，既然硬件都是這么實(shí)現(xiàn)的，而且這種實(shí)現(xiàn)有利于擴(kuò)展，那么我也沒(méi)什么好改的了，0～0x00007fffffffffff的虛擬地址區(qū)間為進(jìn)程的用戶空間，這個(gè)空間是每個(gè)進(jìn)程私有的，其它別的進(jìn)程不能訪問(wèn)，而且這個(gè)區(qū)間有虛擬內(nèi)存管理器分配和映射物理內(nèi)存。0xffff800000000000～0xffffffffffffffff的虛擬地址區(qū)間為L(zhǎng)MOS內(nèi)核空間，這個(gè)空間是所有進(jìn)程共享的，在x86上好像只能這樣了沒(méi)有別的選擇，我試過(guò)很多種別的空間分配法都沒(méi)法成立。只能是上圖那樣的。
      LMOS這個(gè)版本支持U盤啟動(dòng)了，為了讓更多的人，能夠在物理機(jī)上搗鼓和驗(yàn)證LMOS內(nèi)核，我這次重寫了lmos內(nèi)核的引導(dǎo)程序，以便能從U盤啟動(dòng)lmos，大家也更能相信LMOS是個(gè)真正的玩意兒。U盤也不用很大,32MB就行啦，但是使用前請(qǐng)備份好你U盤中的數(shù)據(jù)。LMOS會(huì)刪除U盤上所有的數(shù)據(jù)。如果你想搗鼓一下的話，請(qǐng)?jiān)趌inux下插入U(xiǎn)盤，然后到/dev目錄下查看你U盤的設(shè)備文件名，一般可能是sd（x）這樣的名字，括號(hào)中的X是變化的，如果你有兩塊硬盤的話，你就會(huì)在/dev目錄下看到：sda、sdb、這樣的設(shè)備文件名，當(dāng)你在插入U(xiǎn)盤時(shí)，就會(huì)看到sdc，找到且確認(rèn)是U盤的設(shè)備文件名后，在終端下切換到放lmos內(nèi)核文件的目錄下，執(zhí)行sudo make U_DSK=/dev/sdb，（我的linux下，我的U盤設(shè)備文件名是 sdb 所以才能這樣，如果你的不是或者不能確定是不是，千萬(wàn)別執(zhí)行上面那條命令），否則造成的數(shù)據(jù)丟失，本人一概不負(fù)責(zé)。
      虛擬機(jī)中安裝，我推薦大家使用這種方式，這樣既不需要另的一塊空U盤，也不需要大家的宿主操作系統(tǒng)是LINUX。大家首先確保你的宿主操作系統(tǒng)中安裝有Oracle VM VirtualBox 虛擬機(jī)軟件。如果沒(méi)有請(qǐng)大家自行下載相關(guān)操作系統(tǒng)版本的Oracle VM VirtualBox并安好。安裝好后，先新建個(gè)虛擬機(jī)，然后下載（點(diǎn)此下載）本人提供的虛擬機(jī)硬盤鏡像。并掛載在虛擬機(jī)上，啟動(dòng)虛擬機(jī)即可運(yùn)行LMOS。這次我還提供了VMDK格式的硬盤鏡像。方便使用VM虛擬機(jī)的朋友。
      最后說(shuō)說(shuō)這次的shell，我提供了幾條極為簡(jiǎn)單的命令：
      r 重啟計(jì)算機(jī) 如下圖
     
      t 查看lmos內(nèi)部的進(jìn)程、線程數(shù) 如下圖
     
      m 查看計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的使用情況 如下圖
     
      p 查看計(jì)算機(jī)內(nèi)部的pci總線和設(shè)備 如下圖
     
     LMOS內(nèi)核鏡像包下載