本部分主要记录了计算机开机过程中操作系统的工作流程，并以此理解操作系统的代码结构。
参考资料：
- 课程：哈工大操作系统（本笔记对应前三讲）
- 实验：操作系统原理与实践_Linux - 蓝桥云课 (lanqiao.cn)
- 笔记：操作系统学习导引 · 语雀 (yuque.com)
1. 什么是操作系统
操作系统是计算机硬件和应用软件之间的一层软件，方便我们使用硬件（比如显存）、高效地使用硬件（如打开多个终端和窗口）：
学习操作系统可以有很多层次：
大部分人停留在第一层，即使用操作系统的接口。而计算机专业学生应当能够掌控计算机系统，真正理解操作系统的工作原理。
2. 计算机工作原理
探讨一个问题。打开计算机电源后，计算机的开机过程中发生了什么？
要了解这个问题，首先要了解计算机的工作原理。
计算机是如何工作的？
首先是 图灵机。之前做过记录：计算机系统3-> 现代计算机基石 | 图灵机理论 - climerecho - 博客园 (cnblogs.com)
而 通用图灵机 可以看碟下菜，成为大厨。纸带上对控制器的控制逻辑进行编码，而控制器识别这样的编码，就能够完成我们需要执行的操作。
通用图灵机的功能就已经很像一个应用程序（程序）了。
接下来的冯诺依曼 存储程序 思想，将程序存入内存，按照需求将程序载入CPU（上图中的控制器）进行解释执行。
这样一个计算机就算搭建完成了，就像是大厨能够按照客人需求选择菜谱进行烹饪。
3. 开机过程理解
再回到开机过程的理解，计算机的工作归结于 “取指执行”，而所有的程序（包括操作系统），在开机前都放在磁盘上，如何取指执行呢？
- 打开电源，计算机执行的第一句指令是什么？即第一条指令对应的PC寄存器里的地址是多少？
以×86 PC 为例，
刚开机，会执行 BIOS 中的代码
而这段代码固化在 0xFFFF0 处
开机时，CS = 0xFFFF， IP= 0x0000
这段代码主要用于 检查 RAM，键盘，显示器，软硬磁盘
将磁盘0磁道0扇区读入内存0x7c00处
设置 CS=0x07c0, ip=0x0000，进行实模式寻址后跳到引导扇区的代码执行。
4. bootsect.s 代码理解
bootsect.s 就是上面所说的引导扇区的代码，是汇编代码。
首先是固化的bootsect，需要把后续的代码引导出来。
mov ax, #BOOTSEG
mov ds, ax
# 将ds置为 07c0
mov ax, #INITSEG
mov es, ax
# 将es置为 9000
# 这是两个段寄存器，还需要偏移才能寻址
mov cx, #256
sub si, si
sub di, di
# 加入偏移，偏移通过自减产生，为0
# 根据上面提到过的实模式的CS:IP寻址
# 此时ds:si=7c00,es:di= 90000
rep movw
# rep：重复执行，直到cx=0
# 意思是移动字，一共移动256个字（cx处有说明，也正好是512字节）
# movw： 将DS:SI内容复制到ES:DI中即从7c00
# DS和ES一个是源数据段寄存器，另一个是目的数据段寄存器
jmpi go, INITSEG
# 段间跳转指令，cs=INITSEG,IP=go
# go是一个标记，替代一个具体的地址，编译后就会分配到我们指定的地址
# 这一点具体计算机组成原理有提到过，但我还没整理出来,就是从汇编代码起始的地址，到这个标号处，标号标记了此处的地址。比如说到go这个标签处，go是200地址
# INITSEG 上面提到过，是0x9000
# 这样根据寻址，90000+200
# bootsect.s现在就挪到了 900200，在这里相当于顺序向下执行。
# 但是必须写这句话，因为代码在那个地方。
这段代码要决定接下来setup的读入情况。
# 接下来的代码略讲，看一些重点的
#
# 这段代码是用于读入setup区的（分区图见上图）
go:mov ax,cs
#cs是0x9000
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp, #0xff00
# 为call准备（具体后面会使用这一块的内容）
load_setup:
mov dx,#0x0000
mov cx,#0x0002
mov bx,#0x0200
mov ax,#0x0200+SETUPLEN
# 0x13是BIOS读磁盘扇区的中断：ah=0x02-读磁盘，al=扇区数量(SETUPLEN=4) ch=柱面号，dh=磁头号，dl=驱动器号，es:bx=内存地址
int 0x13
# 现在只是读入了引导扇区用十三号中断读入操作系统其他的内容
# 需要知道从哪里读：cl开始扇区，即mov cx,#0x0002，读取cx的低8位是2。
# 理解一下，boot扇区占了第1个扇区，所以从第2个扇区读。
# 需要知道读多少扇区：ax，0x0200，高八位作为ah，低八位作为al
# 所以是从第二个扇区开始读4个扇区
# 需要直到读到哪里，es:bx告知读到哪里
# 从go标签处得知，cs赋值给了ax,ax赋值给了es,cs是0x9000，而bx是0200
# 所以基址是0x9000，偏移是0x0200.意思就是把setup的四个扇区读进来
jnc ok_load_setup
mov dx,#0x0000
mov ax,#0x0000
int 0x13
j load_setup
ok_load_setup:
mov dl,#0x00
mov ax,#0x0800
int 0x13
mov ch,#0x00
mov sectors,cx
mov ah,#0x03
xor bh,bh
int ox10
# 这句是这段代码的关键，进行BIOS的10号中断，是一个显示字符的BIOS中断，用于在屏幕上输出。
# 具体参数不再介绍，回头单独介绍吧。
mov cx,#24
# 显示的字符数为24
mov bx,#0x0007
# 7是显示属性
mov bp,#msg1
#msg1是用于显示的内容所在的内存地址,见下面的data段
# 意思就是把下面的msg1段显示到光标位置
# Windows开机时的logo就是这一段代码的作用（好看了一些）
mov ax,#1301
int 0x10
mov ax,#SYSSEG
mov es,ax
call read_it
# 读入 system 模块
jmpi 0,SETUPSEG
# 转入0x9020:0x0000,接下来执行setup.s
bootsect.s 中的data段/数据：
sectors: .word 0
msg1:.byte 13,10
.asscii "Loading system"
.byte 13,10,13,10
# 根据这一段就可以修改开机显示的内容，比如改为:"CliviaOS is loading"
# 不过要记得修改显示的字符长度，在上面的mov cx,#24的地方修改一下
# 修改之后这个系统重新编译，再开机就可以看到更改效果
下面读入 system 模块。
read_it: mov ax,es
cmp ax,#ENDSEG
#ENDSEG=SYSSEG+SYSSIZE，
#SYSSIZE=0x8000，这个变量可以根据image的大小设定（编译操作系统的时候）
jb ok1_read
ret
ok1_read:
mov ax,sectors
sub ax,sread
# sread是当前磁道已读扇区数，ax是未读扇区数
call read_track
值得注意的是，除了函数
read_it，读入 system 模块为什么还要定义一个函数ok1_read？因为 system 模块可能很大，要跨越磁道，所以要处理这个问题。
在引导扇区的末尾，BIOS需要这段代码识别引导扇区
.org 510 .word oxAA55 #扇区的最后两个字节，否则会打出非引导设备接下来需要将控制权交给 setup.s，怎么交接呢？
使用跳转，即修改PC；
setup模块放在 0x90200 处，所以cs=9020，ip=0
这样就实现了跳转
jmpi 0,SETUPSEG # ip=0,cs=SETUPSEG，
综上，开机的图标背后做了什么事情，大概上理解一下：
- 打出Logo
- 把 setup 和system 区的代码读进来。
- 一些别的事情...
5. bootsect.s 补充解释
其实不同系统不同版本的bootsect.s都会有差别，所以上面的代码不必死记，但是这是我接触到的与操作系统相关的第一段代码，所以认真整理了下。
可以参考《Linux内核完全注释V3.0》203页，有详细注释。
老师没讲但很重要的几个点结合linux0.11 和教材解释一下
为什么要从07c0 转移到90000：因为如果不转移，system 数据从10000-90000转移到00000的时候会覆盖07c0的程序，司令命令部队把自己司令部给趟平了，所以提前搬走
为什么system 数据要开始放在10000，因为bios 中断程序在00000开始存放，把system从磁盘读到内存之后的命令还是要用bios的中断的，所以要移动
bios的终端每次启动都会又BIO rom的程序初始化一次，不用担心下次启动的时候没有
6. setup.s 代码理解
setup模块依然是setup.s汇编代码，依然对启动过程进行精细控制，相当于编程中的初始化，底层硬件的参数初始化操作系统。
6.1 初始化操作系统并移动
start:mov ax,#INITSEG
mov ds,ax
mov ah,#0x03
xor bh,bh
int 0x10
mov [0],dx
mov ah,#0x88
int 0x15
# 本段代码重点，是一个BIOS中断，获取物理内存的大小
# 使用#0x88作为参数，获取的值放入ax中，ax 赋给 [2]
mov [2],ax
# 这是间接寻址，段寄存器左移 4 位再 +2，即0x90002
# 而段寄存器现在指向9000
# 将 ax 中内容传递至内存地址 ds:[2] 处 即 0x90002 处,
# ax 中保存的值为调用 int15 中断后获取的扩展内存大小
# 操作系统是要管理内存的，所以有必要知道内存的大小。
# 这就是setup的意义，要让操作系统知道计算机底层的模样。
# 操作系统会形成很多数据结构来管理上图表格中这些参数。
cli
# 不允许中断
mov ax,#0x0000
cld
#########################重点提醒###########################
# 下面还是做一个移动
# 移动system模块到0x0000的位置，共计0x8000的地址空间，将来操作系统的代码将一直放在这个位置
# 此前 5.bootsect.s 补充解释中提到的也是这里
# 回顾前一小节中，bootsect代码首先会将自身从0x07c0:0x0000处移动到0x9000:0x0000处，接下来读入的setup模块也紧跟在移动后的bootsect代码后，这么做就是为了给此时将system放在0x0000~0x8000腾出空间
#########################重点提醒###########################
do_move:mov es,ax
#ax=0,赋值给了es
add ax,#0x1000
cmp ax,#0x9000
jz end_move
mov ds,ax
sub di,di
sub si,si
mov cx,#0x8000
rep
movsw
jmp do_move
# 此后，内存从0开始的地址存放的都是操作系统，在此之上的是应用程序。
setup.s 到此做了两件事，1 是把操作系统进行挪动，2 是初始化操作系统，使其能够管理底层硬件。
6.2 进入保护模式
接下来，操作系统应当继续向下执行，setup 还做了一件重要的事：
- 进入保护模式（此前是实模式）
call empty_8042
mov al,#0xD1
out #0x64,a1
call empty_8042
mov a1,#0xDF
out #ox60,a1
mov ax,#0x0001
mov cr0,ax
jmpi 0,8
empty_8042:
.word 0x00eb,0x00eb
in al,#0x64
test al,#2
jnz empty_8042
jnz empty_8042
ret
来看这一句：
jmpi 0,8
- 这句代码是重点，也是操作系统中的理解重点
- 如果还按照上面的寻址模式，则会跳转到0x80，属于system模块，会死机
- 所以实际上并不是上面的寻址模式，cs<<4+ip,cs和ip都是16位寄存器，这种寻址最多只能达到20位地址 = 1M,不适用动辄内存4G的计算机。
- 所以需要从16/20位（1M）切换到32位（4G），后者就是保护模式
- 那么如何做到这种切换呢？即切换寻址模式，切换CPU的解释方式，切换为另一条电路？
这两句：
mov ax,#0x0001
mov cr0,ax
提到了一个寄存器cr0，这个寄存器的最后一位PE，如果是0，则为实模式；如果是1，则为保护模式。
可见，这两句代码就是把末位赋1，走了另一条电路
而这个电路如何解释执行，涉及一个著名概念 gdt.
这个功能由硬件实现，目的就是快。
cs此时被称为 选择子(selector) ，存放查表的索引，真正的地址放在表项里。
cs=8是要选择表中的项，再从表中取出基址，与ip相加得到地址，这时得到的就是32位地址。
这个表就是著名的 gdt表（global description table）
表中的内容从何而来呢？是由setup.s来做的。
#这段代码简单讲
end_move:mov ax,#SETUPSEG
mov ds,ax
lidt idt_48
lgdt gdt 48
idt_48:.word 0
.word 0,0
gdt_48:.word 0x800
.word 512+gdt,0x9
## 这一段就是初始化表
gdt:.word 0,0,0,0
# 注意，一个word16位，所以一行作为一个表项就是64位
.word 0x07FF,0x0000,0x9A00,0x00C0
# 寻址的时候以字节做索引，1个字节8位，所以cs=8就是这个第二行起始处
.word ox07FF,0x0000,0x9200,0x00C0
通过上面代码几个指令的组合（相对固定），就能得到这个gdt表，再结合上面那一段更改寻址方式的指令，就能够实现jmpi 0,8
现在来谈中断，中断处理也与上面类似。
也是以上面的方式去寻找中断函数的入口地址。
6.3 gdt 查表方式理解
上面我们得知，jmpi 0,8使用gdt 查表，查到的是下面代码中的第2行word，而怎么解释这个表项则是由硬件规定的。
.word的四个地址是如何体现在GDT表项中的呢？
- 注意看GDT表项的四个段标注
- 段基址31...24对应0x00C0的高位00
- 段基址23...16对应0x9A00的低位00
- 段基址15...0对应0x0000
- 段限长15...0对应0x07FF
- 合起来，段基址就是全零。
- 所以这个表项的意思是，jmp 到内存0x0000处，接下来去0地址处执行，也就是前面移动过的system模块。
前面提到过的bootsect模块和setup模块都是由其相应的.s文件编译过来的，而system模块一定有很多文件，我们要保证接下来进行的是system的第一段代码；也就是head.s，
所以我们要编写编译操作系统的控制代码——Makefile。
6.4 Makefile
Makefile可以控制最终生成的代码的组织结构，然后按照前述的顺序放在硬盘的前面几个扇区中。
Makefile是一种树状结构
image 是依赖于上图中的 boot/bootsect tools/system tools/build ... 产生
而image 的这些子节点还会依赖于它的子节点，比如tools/system依赖于boot/head.o init/main,o $(DRIVERS) 等等
上面提到过的这些子节点还会依赖于 head.s等文件。
当所有子节点完成后，通过
(LD)boot/head.o init/main.o $DRIVERS ... -o tools/system链接起来，来构建父节点再向上创建 image
而在整个树中，head.s 是第一个。
7. head.s 代码理解
再次初始化IDT和GDT表
其他如开启20号地址线 ，就不再探讨细节。
上图中，head.s的代码和之前看到的bootsect.s和setup的代码不太一样，多了很多%eax，而不再是ax。
这是因为head.s是运行在保护模式（32位模式）下的，是32位的汇编代码，而bootsect.s和setup的代码是16位的汇编代码。
接下来会跳转到 main.c。从汇编跳到C，如何做到？
与C语言之间的跳转没有区别，C语言本身还是汇编，通过栈来完成。
after_page_tables:
#压栈
push1 $0
push1 $0
push1 $0
push1 $L6
push1 $_main
#压栈结束后跳转到set_paging
jmp set_paging
L6: jmp L6
setup_paging:#设置页表代码#
ret
## 设置页面setup_paging的具体代码这里省略，后面再讲
- 可见head.s也是在压栈，所以从head.s跳转到main.c实际上很简单，就是把参数和main.c的地址压入栈中
- 在设置页表的代码（即setup_paging模块）执行完后，会执行 ret返回指令，那么就把栈中 main.c 的地址作为返回地址，达到了跳转到main.c的效果
- 接下来就是执行上面压栈的内容，即执行main.c。
- 如果main.c执行结束，会跳转到L6，L6是一个死循环；实际上，正常情况下，main.c就会一直运行下去，不会执行结束，如果main.c结束了，就会跳到L6，表现的结果就是计算机死机了
总结一下head.s功能：
- 初始化idt以及gdt，表示用各种数据结构管理硬件参数
- 向后交接给main.c
8. main.c 代码理解
下面就开始C语言程序了。
- 传给main函数的三个形参（上一部分的p1~p3），分别是envp、argv、argc，但是main函数并没有使用；main如果返回，就会跳转到L6，但操作系统正常情况下一直在工作，永远不会退出；
- main的工作就是xx_init：内存、中断、设备、时钟、CPU等内容的初始化，这里就可以看到熟悉的
chr_dev_init()，tty_init()等等
init 函数举例mem_init()函数：
- mem_init()就是内存的初始化，如下图
按照 4K 为单位对内存进行划分区域（页），mem_map数组是表示内存区域是否被使用的一个表格；
end_mem其实就是总内存大小，那这个参数是从哪里来的呢？我们之前讲setup的时候，说了会读取内存大小放在0x90002的位置，就是从这里来的。
下面的代码，首先将mem_map全部初始化为USED，然后将start_mem到end_mem之间的内存区域设置为0，即未被使用
mem_map前面的部分是USED，这是操作系统代码和一些管理硬件的数据结构所占用的内存
9. 总结
前面代码部分，分析了bootsect.s、setup、head.s、main.c、mem_init()
笼统的说，这些步骤，就是做了两件事情
- 把操作系统代码读到内存中，读到内存中，CPU才可以取指执行
- 初始化工作，准备一些用于管理硬件设备的数据结构
后面我们还会回过头来看这里准备的这些数据结构