操作系统实验二
2.1 实验目的
- 通过调试一个简单的多任务内核实例，使大家可以熟练的掌握调试系统内核的方法；
- 掌握Bochs虚拟机的调试技巧；
- 通过调试和记录，理解操作系统及应用程序在内存中是如何进行分配与管理的；
2.2 实验内容
通过调试一个简单的多任务内核实例，使大家可以熟练的掌握调试系统内核的方法。 这个内核示例中包含两个特权级 3 的用户任务和一个系统调用中断过程。我们首先说明这个简单内核的基本结构和加载运行的基本原理，然后描述它是如何被加载进机器 RAM 内存中以及两个任务是如何进行切换运行的。
2.2.1 掌握Bochs虚拟机的调试技巧
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设置断点 (b): 可以在指定的内存地址处设置断点，当程序执行到该地址时，会中断执行，方便用户进行调试。
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显示断点状态 (blist): 可以查看当前所有断点的状态，包括断点地址和是否启用。
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读/写断点 (unwatch/watch): 可以设置或清除读或写的断点，当指定内存地址被读取或写入时，会触发断点中断。
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显示寄存器状态 (trace-reg on): 在单步调试时，会显示每个寄存器的状态，帮助用户了解程序执行的过程。
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打印当前堆栈 (print-stack): 可以打印当前的堆栈信息，帮助用户跟踪函数调用和返回。
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继续向下执行 ( c): 用于继续执行程序，直到遇到下一个断点或程序结束。
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单步执行 (s): 逐步执行程序，一次执行一条指令，方便用户逐行跟踪代码执行流程。
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查看寄存器信息 (info cpu/r/sreg/creg): 可以查看CPU寄存器、段寄存器和控制寄存器的信息，帮助用户了解当前的CPU状态。
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查看内存内容 (xp /nuf): 可以查看指定内存地址处的内容，用户可以指定显示的单元数量、单元大小和显示格式。支持十六进制、十进制、无符号十进制、八进制和二进制等不同的显示格式。
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反汇编指定范围的内存 (u): 可以对指定范围的内存进行反汇编，帮助用户查看内存中的指令内容。
2.3. 实验报告
1.当执行完 system_interrupt 函数，执行 153 行 iret 时，记录栈的变化情况。
若从task1中调用int 0x80 进入 system_interrupt，执行iret之前，栈底地址为0x10e0，即目前使用krn_stk1
栈中的内容：
| 地址 | 值 | 意义 |
|---|---|---|
| 0x10CC | 0x10ff | 代码指针（即eip） |
| 0x10D0 | 0x000f | 当前局部空间代码段选择符(即cs) |
| 0x10D4 | 0x0202 | 标志寄存器值(即eflags) |
| 0x10D8 | 0x1308 | 堆栈指针(即esp) |
| 0x10DC | 0x0017 | 当前局部空间数据段（堆栈段）选择符(即ds) |
| 0x10e0 | 0x17b8 | 栈底 |
若从task1中调用int 0x80 进入 system_interrupt，执行iret之后，栈底指针为0x1308，即目前使用usr_stk1。同时，栈底指针与执行iret前栈内0x10D8处的值相等，证明此处存储堆栈指针。
栈中的内容：
| 地址 | 值 | 意义 |
|---|---|---|
| 0x1308 | 0x0000 | 栈底 |
若从task0中调用int 0x80 进入 system_interrupt，执行iret之前，栈底指针为0x0E60，即目前使用krn_stk0
栈中的内容：
| 地址 | 值 | 意义 |
|---|---|---|
| 0x0E4C | 0x10eb | 代码指针（即eip） |
| 0x0E50 | 0x000f | 当前局部空间代码段选择符(即cs) |
| 0x0E54 | 0x0246 | 标志寄存器值(即eflags) |
| 0x0E58 | 0x0bd8 | 堆栈指针(即esp) |
| 0x0E5C | 0x0017 | 当前局部空间数据段（堆栈段）选择符(即ds) |
| 0x0E60 | 0x0000 | 栈底 |
若从task0中调用int 0x80 进入 system_interrupt，执行iret之后，栈底指针为0x0BD8，即目前使用init_stack。同时，栈底指针与执行iret前栈内0x0E58处的值相等，证明此处存储堆栈指针。
栈中的内容：
| 地址 | 值 | 意义 |
|---|---|---|
| 0x0BD8 | 0x0bd8 | 栈底 |
2.当进入和退出 system_interrupt 时，都发生了模式切换，请总结模式切换时，特权级是如何改变的？栈切换吗？如何进行切换的？
- 特权级的切换： 通过调用中断，修改程序运行时的cs。在进入中断前，程序当前的特权级为3，即用户模式。而触发int 0x80中断后，程序会进入内核模式，特权级变为0。在返回中断前，特权级又从0变为3，从而完成特权级的切换。
- 栈的切换： 在进入中断时，程序会自动将当前的一些寄存器的值压入栈内，以确保能够正确地返回原程序。然后，在执行iret指令前，程序会将之前压入栈内的信息弹出，覆盖掉现有的cs，使程序的特权级从0变为3。同时，堆栈指针（即esp）也会发生变化，当前使用的栈会从一个内核栈（krn_stk0或krn_stk1）变成用户栈（usr_stk1）。
因此，通过int指令和iret指令完成的模式切换和特权级的切换。此外，这种切换也是为了确保程序的正确执行和系统的稳定运行。
3.当时钟中断发生，进入到 timer_interrupt 程序，请详细记录从任务 0 切换到任务 1 的过程。
- **将1存入currnt： **这个操作通常是为了标记当前正在执行的任务，以便在后续的处理中能够正确地切换到任务 1。
- 通过ljmp指令从任务0切换至任务1： 在 timer_interrupt 程序内，使用 ljmp 指令进行任务切换。ljmp 是一个汇编指令，它用于在任务之间进行切换。在进行切换之前，需要先将当前任务的各寄存器状态和值保存到 tss0 内。这个操作是为了保存当前任务的上下文，以便在需要时可以正确地恢复。
imer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务0切换至任务1之前，tss0的状态。
timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务0切换至任务1之后，tss0的状态。
-
查找得到tss1的地址并加载各寄存器的值： 在切换到任务 1 之前，需要通过 $TSS1_SEL 选择符从 gdt 中查找得到 tss1 的地址。然后从 tss1 中获取任务 1 的各寄存器值，并将这些值加载进各寄存器中。这个操作是为了恢复任务 1 的上下文。
timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务0切换至任务1之前，tss1以及当前各个寄存器的状态。
timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务0切换至任务1之后，tss1以及当前各个寄存器的状态。
- **执行任务1： **最后，根据新加载进来的 cs:eip 以及各寄存器的状态和值，执行任务 1。cs:eip 是代码段寄存器和偏移量寄存器，它们用于确定下一条要执行的指令。这个步骤是真正执行任务 1 的开始。
4.又过了 10ms ，从任务1切换回到任务 0 ，整个流程是怎样的？ TSS 是如何变化的？各个寄存器的值是如何变化的？
- 将0存入currnt： 使下次执行时钟中断处理函数时，执行ljmp时选择的是$TSS1_SEL。
- 通过 ljmp 指令从任务0切换至任务1： 确保再从任务0切换回任务1时，可以正常进行，将当前各寄存器的状态和值存入tss1内。
在 timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务1切换至任务0之前，tss1的状态。（注：0xe78至0xedf为tss1）
在 timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务1切换至任务0之后，tss1的状态。
- 将任务0的各寄存器状态和值从 tss0 中加载到各寄存器中： 通过 $TSS0_SEL 选择符从gdt中查找得到tss0的地址，进而在tss0内得到各寄存器的值，将其加载进各寄存器中。
在 timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务1切换至任务0之前，tss0以及当前各个寄存器的状态。（注：0xbf8至0xc5f为tss0）
在 timer_interrupt 处理程序内，执行ljmp指令从任务1切换至任务0之后，tss0以及当前各个寄存器的状态。
- 执行任务0： 按照新加载进来的cs:eip，以及各寄存器值和状态，执行任务0。
5.请详细总结任务切换的过程。
- 在时钟中断处理函数中，首先根据current的值判断执行ljmp时应该使用哪个tss的选择符作为参数。current的值通常指向当前正在执行的任务的tss。
- 在执行ljmp指令之前，需要将当前任务的各寄存器状态和值保存到当前的tss内。这个操作是为了保存当前任务的上下文，以便在需要时可以正确地恢复。
- 执行ljmp指令进行任务切换。这个指令会根据参数中的tss选择符去gdt表内查找对应的tss地址。然后，通过这个地址获取到新的tss内容，并将这些内容加载到各寄存器中。
- 此时，已经恢复到了上次进行任务切换时的状态，并开始执行导致切换的那条指令的下一条指令。
任务切换过程是通过保存和恢复任务的上下文来实现的。在保存上下文时，需要将各寄存器的状态和值存储到tss中。在恢复上下文时，需要从tss中获取各寄存器的值并将其加载到相应的寄存器中。这样就可以实现在一个任务执行过程中，能够在不同任务之间进行切换。
