1. x86架构运行的核心概念

1.1 基址 + 偏移是x86的核心设计哲学

  • 内存寻址：通过“基址 + 偏移”实现灵活的分段和分页机制。
  • 描述符表（GDT、LDT、TSS）：通过基址（GDTR/LDTR）和偏移（索引）访问段描述符，完成内存保护与任务管理。
  • 函数调用与栈管理：基址（EBP）和偏移实现栈帧中参数和局部变量的高效访问。
  • 硬件资源的模块化设计：基址决定全局范围，偏移提供局部灵活性。

1.2 特权级和执行模式

  • x86支持多种运行模式和特权级别，形成清晰的隔离与保护：
    • 运行模式：
      • 实模式：16位寻址，基本I/O和启动阶段。
      • 保护模式：32位寻址，多任务和内存保护。
      • 长模式：64位寻址，现代操作系统的主流模式。
    • 特权级：
      • 4级特权级（CPL、DPL、RPL），支持用户态与内核态的隔离，保护操作系统的关键资源。

2. 内存管理：分段与分页的协同机制

2.1 分段机制

  • 核心理念：
    • 基址 + 偏移，通过段寄存器访问段描述符中的基址、段限长和权限。
    • 段描述符存储在GDT（全局描述符表）或LDT（局部描述符表）中。
  • 关键数据结构：
    • GDT：全局描述符表，包含代码段、数据段、TSS等描述符。
    • LDT：任务本地描述符表，为每个任务提供独立段的定义。
    • 段寄存器：CS（代码段）、DS（数据段）、SS（栈段）、ES、FS、GS。
  • 线性地址计算公式：
    1. 线性地址 = 段基址 + 偏移量

2.2 分页机制

  • 核心理念：
    • 使用页表将线性地址映射到物理地址，实现虚拟内存。
    • 支持多级页表结构，简化大内存管理。
  • 关键数据结构：
    • 页目录（Page Directory）、页表（Page Table）。
    • PAE（Physical Address Extension）：扩展到36位地址。
    • 64位模式下的多级页表：PML4、PDPT、PD、PT。
  • 物理地址计算公式：
    1. 物理地址 = 页表基址 + 页表偏移

3. 任务管理：多任务与上下文切换

3.1 多任务的实现机制

  • x86通过任务状态段（TSS）和调度器实现多任务管理：
    • 任务状态段（TSS）：
      • 保存任务的上下文，包括寄存器、栈指针、I/O许可位图。
      • TR（任务寄存器）通过GDT中的TSS描述符定位TSS。
    • 上下文切换：
      • 保存当前任务的上下文，加载新任务的上下文。
      • 涉及寄存器切换、栈切换和页表切换。

3.2 Linux任务管理中的关键点

  • task_struct：核心数据结构，描述每个任务的状态。
  • 上下文切换的伪代码：
    1. void context_switch(task_struct *prev, task_struct *next) {
    2.     save_context(prev);  // 保存当前任务上下文
    3.     load_context(next);  // 恢复新任务上下文
    4. }

4. 中断与异常：事件驱动的操作系统核心

4.1 中断机制

  • 硬件中断：
    • 通过外设（如键盘、网卡）触发，通知CPU处理事件。
    • 可屏蔽中断（PIC/APIC）控制中断优先级。
  • 软件中断：
    • 用户程序通过INT指令发起系统调用。
  • 中断向量表（IDT）：
    • 中断向量用于定位中断处理程序。
    • IDTR寄存器存储IDT的基址。

4.2 异常处理

  • 异常分类：
    • Fault（可恢复异常）：如缺页异常，返回后继续当前指令。
    • Trap（调试异常）：如断点，返回后继续下一条指令。
    • Abort（致命异常）：如机器检查，无法恢复。
  • 异常处理流程：
    1. CPU保存上下文到栈。
    2. 跳转到异常处理程序。
    3. 异常处理完成后返回。

5. 系统调用：用户与内核的桥梁

5.1 系统调用机制

  • 传统方式：
    • 通过INT 0x80触发系统调用。
  • 快速系统调用：
    • SYSENTER/SYSEXIT（32位模式）。
    • SYSCALL/SYSRET（64位模式）。
  • 系统调用伪代码：
    1. void syscall_handler() {
    2.     fetch_syscall_number();
    3.     execute_syscall();
    4.     return_to_user();
    5. }

6. 设备I/O：与硬件的交互

6.1 I/O地址空间

  • x86提供独立于内存的I/O地址空间，通过专用指令访问。
  • 常用指令：
    • IN：从I/O端口读取。
    • OUT：向I/O端口写入。

6.2 中断驱动的设备交互

  • 硬件设备通过中断通知操作系统完成事件处理（如键盘输入）。
  • 设备驱动程序负责初始化设备、处理中断并与内核交互。

7. CPU执行的整体流程

7.1 上电到操作系统运行的关键步骤

  1. BIOS启动：
    • 加载引导扇区到0x7C00。
    • 进入引导加载程序。
  2. 引导加载程序（Bootloader）：
    • 初始化硬件，加载内核。
  3. 内核初始化：
    • 初始化内存、设备驱动、中断处理等。
    • 启动第一个用户任务（如init）。

7.2 CPU执行的通用模式

  • 用户态：
    • 执行用户程序，依赖系统调用与内核交互。
  • 内核态：
    • 处理中断、异常，管理硬件资源和任务调度。

总结：x86运行机制的核心要点

7.1 x86运行机制的全景图

  1. 内存管理：
    • 分段 + 分页，灵活、高效的虚拟内存管理。
  2. 多任务管理：
    • TSS + task_struct，实现任务上下文的高效切换。
  3. 事件驱动：
    • 中断与异常驱动系统高效响应外部事件。
  4. 用户态与内核态：
    • 特权级隔离，保障操作系统安全与稳定。

7.2 核心设计哲学

  • 模块化与分层设计：
    • GDT/LDT、IDT、页表等模块化实现资源管理。
  • 基址 + 偏移：
    • 无处不在的灵活寻址方式。
  • 中断驱动 + 死循环：
    • 操作系统的运行本质。

7.3 操作系统开发的重点

  • 分清责任：
    • 用户态负责业务逻辑，内核态负责资源管理。
  • 硬件资源的抽象：
    • 将x86硬件特性与操作系统功能高效结合。