任务和任务的创建

01. 任务：概念和组成

内核时对整个计算机系统进行管理，管理软件和硬件。内核可以加载用户程序，对用户程序进行重定位，用户程序终止后还可以回收用户程序的资源，在编程时位用户程序提供API。

将内核和用户程序可以看作一个整体：任务

在一个系统中只有一个内核，但可以有多个用户程序，即多任务系统。

GDT存放内核中的描述符，LDT存放每个任务中用户程序的描述符：

每个任务还需要一个任务状态段：TSS（Task Status Segment)。

02. 使用任务控制块保存任务的基本信息

本节主要介绍了本章程序的结构，主要结构如下，本章程序有三个

用户程序：c13_app1.asm
1. 用户头部段
2. 用户数据段
3. 用户栈段
4. 用户代码段
5. 用户尾部段
内核程序：c14_core.asm
1. 定义常量存放选择子
2. 内核程序头部段
3. 内核公共例程段，就是一些例程和以前一样
4. 内核数据段，一些文本信息、SALT等
5. 内核代码段，有内核入口点start、创建任务控制块TCB（Task Control Block）记录任务的信息
6. 内核尾部段
引导程序：c13_mbr0.asm
1. 创建必要的段描述符
2. 进入保护模式
3. 加载内核
4. 创建内核的段描述符
5. 使用jmp far 指令跳转执行内核

03. 将任务控制块加入任务控制块链表

本节主要讲解内核代码段中的append_to_tcb_link，在内核数据段定义标号tcb_chain dd 0，是一个指针，用来保存第一个任务控制块的线性基地址，称为头指针，为0表示链表为空没有任务。

其中任务控制块TBC的结构如下：

任务控制链表：

清除TCB指针域：表明当前TCB是最后一个

判断链表中是否为空，为空表示这是第一个TCB：

若链表不为空，顺着链表找到最后一个TCB：

找到最后一个TCB，指向新的TCB，然后恢复压栈的内容并返回调用者：

04. 通过栈传递例程参数和立即数的压栈指令

接上一节，在创建TCB之后接着加载和重定位用户程序并创建一个任务。使用callload_relocate_program调用例程load_relocate_program，使用栈传递参数，此时的栈是在引导程序中定义的4K字节、基地址为0x7c00的栈。
代码如下：

         push dword 50                      ;用户程序位于逻辑50扇区
         push ecx                           ;压入任务控制块起始线性地址 
       
         call load_relocate_program

其中立即数的压栈指令：

push imm8：

push imm16：

push imm32：

压栈可以不需要容器，即直接使用立即数，但是出栈需要有容器接着：

其中处理器使用32位操作尺寸，压入一个双字，0x00000055。出栈使用32位寄存器EDX或者是一个dword修饰的内存地址。这里压栈和出栈的尺寸必须一致，否则会影响栈平衡。

05. 段寄存器的压栈和出栈以及栈的随机访问机制

接上一节，进入load_relocate_program例程之后进行段寄存器的压栈操作：

load_relocate_program:                      ;加载并重定位用户程序
                                            ;输入: PUSH 逻辑扇区号
                                            ;      PUSH 任务控制块基地址
                                            ;输出：无 
         pushad
      
         push ds
         push es

其中段寄存器的压栈操作：

段寄存器的出栈操作：pop cs指令非法

接着执行命令：
mov ebp,esp ;为访问通过堆栈传递的参数做准备

此时栈的分布：

使用EBP记录ESP的值，用来访问战中的参数，可以在不破坏栈顶指针ESP的情况下去访问栈中的其他数据

其中若使用BP或者EBP访问栈，那么默认的前缀是栈段SS。

06. 创建任务的局部描述符LDT

任务共有的部分安装在GDT，私有的部分安装在LDT中。

接上一节，在load_relocate_program例程中：申请创建LDT所需要的内存、加载用户程序、判断整个用户程序的尺寸，之后建立用户头部段描述符、使用例程fill_descriptor_in_ldt将描述符安装在LDT中。

申请LDT内存：LDT的大小可以自己设置，最大也是64K字节

         ;以下申请创建LDT所需要的内存
         mov ecx,160                        ;允许安装20个LDT描述符
         call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
         mov [es:esi+0x0c],ecx              ;登记LDT基地址到TCB中
         mov word [es:esi+0x0a],0xffff      ;登记LDT初始的界限到TCB中

申请过的LDT可以将之保存在TCB中

登记过LDT的线性地址和界限值之后，接下来我们要从硬盘读取用户程序：将加载的用户程序的首地址也保存在TCB中。

 ;以下开始加载用户程序 
         mov eax,core_data_seg_sel
         mov ds,eax                         ;切换DS到内核数据段
       
         mov eax,[ebp+12*4]                 ;从堆栈中取出用户程序起始扇区号 
         mov ebx,core_buf                   ;读取程序头部数据     
         call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0

         ;以下判断整个程序有多大
         mov eax,[core_buf]                 ;程序尺寸
         mov ebx,eax
         and ebx,0xfffffe00                 ;使之512字节对齐（能被512整除的数低 
         add ebx,512                        ;9位都为0 
         test eax,0x000001ff                ;程序的大小正好是512的倍数吗? 
         cmovnz eax,ebx                     ;不是。使用凑整的结果
      
         mov ecx,eax                        ;实际需要申请的内存数量
         call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
         mov [es:esi+0x06],ecx              ;登记程序加载基地址到TCB中

然后创建用户程序头部段描述符，将之安装在LDT中

         mov ebx,ecx                        ;ebx -> 申请到的内存首地址
         xor edx,edx
         mov ecx,512
         div ecx
         mov ecx,eax                        ;总扇区数 
      
         mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel         ;切换DS到0-4GB的段
         mov ds,eax

         mov eax,[ebp+12*4]                 ;起始扇区号 
  .b1:
         call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
         inc eax
         loop .b1                           ;循环读，直到读完整个用户程序

         mov edi,[es:esi+0x06]              ;获得程序加载基地址

         ;建立程序头部段描述符
         mov eax,edi                        ;程序头部起始线性地址
         mov ebx,[edi+0x04]                 ;段长度
         dec ebx                            ;段界限
         mov ecx,0x0040f200                 ;字节粒度的数据段描述符，特权级3 
         call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
      
         ;安装头部段描述符到LDT中 
         mov ebx,esi                        ;TCB的基地址
         call fill_descriptor_in_ldt

07. 在当前任务的LDT中安装描述符

接上一节，在LDT中安装一个新的描述符

SECTION core_code vstart=0
;-------------------------------------------------------------------------------
fill_descriptor_in_ldt:                     ;在LDT内安装一个新的描述符
                                            ;输入：EDX:EAX=描述符
                                            ;          EBX=TCB基地址
                                            ;输出：CX=描述符的选择子

fill_descriptor_in_ldt例程中运行。

PS：CX在计算过程中溢出的进位不会影响ECX的高16位，而是会被丢弃。

更新TI位为1，表示在LDT中：

08. LDT描述符的格式和创建

描述符的分类：

GDT的线性基地址存放在GDTR寄存器中，LDT=和TSS的线性基地址存放在GDT中，即LDT、TSS也有自己的段描述符，需要安装在GDT中。

描述符中的S位和TYPE字段：

S=0表示系统描述符中，在系统描述符中21、22位是没有意义的置零即可
TYPE = 0010表示为LDT描述符

在GDT中登记LDT描述符：

         ;在GDT中登记LDT描述符
         mov eax,[es:esi+0x0c]              ;LDT的起始线性地址
         movzx ebx,word [es:esi+0x0a]       ;LDT段界限
         mov ecx,0x00408200                 ;LDT描述符，特权级0
         call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
         call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
         mov [es:esi+0x10],cx               ;登记LDT选择子到TCB中

其中：

S = 0：表示系统描述符；
TYPE = 0010：表示LDT描述符；
P = 1：表示段存在；
G = 0：表示段界限以字节为单位；

09. 创建任务状态段TSS\

除了局部描述符表LDT，每个任务还应该有一个任务状态段TSS，TSS的基本长度是104个字节

接上一节，本节创建TSS，代码如下：

         ;创建用户程序的TSS
         mov ecx,104                        ;tss的基本尺寸
         mov [es:esi+0x12],cx              
         dec word [es:esi+0x12]             ;登记TSS界限值到TCB 
         call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
         mov [es:esi+0x14],ecx              ;登记TSS基地址到TCB

其中TSS的内存分布：

若T位为1，在多任务环境中每次切换到该任务时，将引发一个调试异常中断，所以我们将此为置零。

然后创建完TSS就将LDT选择子从TCB任务控制块中写入TSS

         mov dx,[es:esi+0x10]               ;登记任务的LDT选择子
         mov [es:ecx+96],dx                 ;到TSS中

10. TSS描述符的格式和创建

接上一节，本节在GDT中登记TSS描述符。
将创建好的TSS描述符登记到GDT中，GDT登记完成后返回TSS选择子再存入TCB任务控制块中。

         ;在GDT中登记TSS描述符
         mov eax,[es:esi+0x14]              ;TSS的起始线性地址
         movzx ebx,word [es:esi+0x12]       ;段长度（界限）
         mov ecx,0x00408900                 ;TSS描述符，特权级0
         call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
         call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
         mov [es:esi+0x18],cx               ;登记TSS选择子到TCB

TSS描述符格式：

S = 0：表示为系统描述符
TYPE中的B位（Busy）：此位由处理器根据任务的状态实时修改，我们创建时置零就好。

11. 用带参数的RET指令返回调用者

接上一节，本节从例程load_relocate_program返回调用者，在返回之前栈的状态：

在执行下列出栈指令之后：

         pop es                             ;恢复到调用此过程前的es段 
         pop ds                             ;恢复到调用此过程前的ds段
      
         popad

栈的状态为：

然后执行返回指令：

         ret 8                              ;丢弃调用本过程前压入的参数

栈的状态：

其中ret imm、retf imm指令：

到目前为止的内存布局：

12. 加载任务寄存器TR和局部描述符表寄存器LDTR

接上一节，接下来从load_relocate_program返回，之后要转到任务私有部分（用户程序）执行。

在多任务系统中，有多个任务、多个TSS、LDT。

8086使用寄存器TR&LDTR来存储TSS&LDT的基地址和界限

TR&LDTR结构：

TR&LDTR可以使用ltr&lldt指令加载：

LDTR加载过程：

lldt r/m16指令执行时，将选择子送入LDTR的LDT选择器中；
处理器从GDT中取出LDT描述符；
将LDT描述符中的LDT线性基地址送入LDT描述符高速缓存器中的32位线性基地址部分；
之后LDTR就指向LDT；

TR加载过程：

ltr r/m16指令执行时，将选择子送入TR的TSS选择器中；
处理器从GDT中取出TSS描述符；
将TR描述符中的TSS线性基地址送入TR描述符高速缓存器中的32位线性基地址部分；
之后TR就指向TSS；

加载完之后就跳转用户程序执行。

13. 在虚拟机上验证人物的执行

写数据并执行：

Bochs虚拟机：
在0x7c00（主引导程序）断下来之后设置modbp断点，会在从实模式切换到保护模式的时候断下来。

进入内核：

执行完lldt指令之后看一下寄存器的状态：ldtr和gdtr的内容

查看GDT内容：info gdt

查看描述符详细信息：info gdt 5

查看LDT内容以及每个描述符的详细信息：info ldt

查看TSS信息：info tss

运行结果：正常执行

xiaoeryu