Cosmos里程碑1--C#开源操做系统学习系列四

使用的代码包为cosmos14395.zip，如下把COSMOS里程碑1简称为COSMOS MS1或 MS1 COSMOS

申请：因为本篇内容涉及的技术的东西太多，小弟水平有限，若有思想认识上的错误，欢迎你们指正。

对于IBM-PC兼容机的硬件启动流程我目前理解是这样的：通电->BIOS初始化与自检->CPU初始化->加载硬盘的0磁道0柱面1扇区的内容进内存并开始执行这一部分的内容。到此，硬件的过程—注意是硬件--就走完了，剩下的就都交给0磁道0柱面1扇区的程序来执行，这里面的东西就是咱们程序员要作的东西了。

这里若是没有操做系统的话，那么从0磁道0柱面1扇区开始执行的程序就是咱们本身写的程序，但这样一次只能执行一个，很浪费硬件资源，若是要换别的程序的话还得从新启动一次硬件，因此咱们但愿这个首先执行的程序能够一直运行，而后再向这个程序发出命令，让这个程序来执行咱们想要执行的程序，这样就能够不用重启硬件就能运行多个程序了，慢慢地这个咱们对其发出命令让其运行别的程序的程序就变成了咱们所谓的操做系统了。

随着操做系统的发展，现代操做系统的通常都须要作如下工做：

1． 进程管理
2． 内存管理
3． IO管理
4． 文件系统管理
(以上为参考《操做系统的设计与实现》一书)

对于咱们此次要分析的COSMOS MS1，那么他实现了以上哪些功能呢，严格来讲都没实现（第一个里程碑版本嘛，能运行就能够了），要说的话能够说实现了一些IO管理上的功能，如向显示器上输出字符和相应键盘输入。下面经过一副图来讲一下COSMOS
MS1操做系统（即PC机软件部分）的启动过程：

再说明一下，本版本使用VS2010编译以后彷佛没法正常运行，这里是我我的的理解：里程碑1的程序仍是VS2008的项目，若是使用VS2010的朋友在打开项目以后会提示升级，升级完后编译会出现部分没法编译经过的状况，是由于升级以后部分项目升级成使用.net 4.0的框架，而部分项目仍是用的.net 2.0或3.5的framework，当使用.net 2.0或.net 3.5的项目引用了.net 4.0项目的程序集时，是没法经过编译的，这时尽管把这些项目该为使用.net 4.0的framework后能够正常启动进到编译界面，可是编译操做系统的过程当中会出现“未将引用设置到对象”错误，缘由不明………..

好了，了解了流程就直接上代码，跟着代码逐行进行说明，找到Program文件，定位到如下代码

/// <summary>
/// 为何这个是程序的开始函数，请看小弟的上一篇拙文 :)
/// </summary>
publicstaticvoidInit()
{
// 初始化硬件
Kernel.Boot.Default();
// 加载一些在硬件设置完毕以后，程序启动以前须要运行的一些东西，COSMOS中每个须要在这里运行的东西叫作一个Stage（不知道操做系统理论中是否是有这么一个概念？），好比说一些欢迎词和版权声明之类的。这加载进来的是一个欢迎语的Stage
Kernel.Staging.DefaultStageQueue stages = newCosmos.Kernel.Staging.DefaultStageQueue();
// 运行上一步加载的Stage
stages.Run();
// 剩下的你们应该都能看得懂了
Randommt = newRandom();
intnum = mt.Next();

System.Console.WriteLine( " I am thinking of a number between 0 and 100. What is it? " );
System.Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
System.Console.Write( " Take a guess: " );
System.Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
short guess = short .Parse(System.Console.ReadLine());

while (guess != num)
{
System.Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red;
if (guess > num)
System.Console.WriteLine( " Too high. " );
else
System.Console.WriteLine( " Too low. " );

System.Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
System.Console.Write( " Take another guess: " );
System.Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
guess = short .Parse(System.Console.ReadLine());
}

System.Console.WriteLine( " You got it!!!! " );

stages.Teardown();
}

主要分析一下Kernel.Boot.Default()这个函数干了什么事，前面一大堆理论中关于CPU，内存，IO初始化这些的操做都是在这里面完成的

public static void Default() {
// Init Heap first - Hardware loads devices and they need heap
// 竟然是先在内存中初始化堆(就是开辟堆空间) 还觉得是先对CPU进行设置呢……
// 初始化堆的过程其实就是一个在系统中创建各类不一样的对象的过程，用这些对象来对内存进行管理
Heap.CheckInit();

// 如今该是设置CPU和初始化IO了，稍后对该函数进行分析
Cosmos.Hardware.PC.Global.Init();

// Now init kernel devices and rest of kernel
// 对设备进行初始化，看名字这应该是个键盘 
Keyboard.Initialize();
}

再看一下Cosmos.Hardware.PC.Global.Init()里面作了什么

View Code

public static void Init() {
// 终于到CPU了 
// 这里先是new 了一个处理器，可是从函数的带来看这个处理器什么都没作，那玄机就是在Processor这个类的构造函数里面了。跟进去能够看到，能够看到构造函数里面建立了GDT（简单的说就是对于x86的CPU，若是要使用保护模式的话就须要建立一个GDT，并对它进行设置来开启CPU的保护模式功能），可是，因为是MS1(里程碑1)，实现程度还很小，建立GDT只是一个空操做，实际什么也没作，估计会在后续版本中添加进来。
mProcessor = new Processor();
// 对中断控制器
Bus.CPU.PIC.Init();

// All old.. need to port ----------------
// 对串口进行初始化
HW.Serial.InitSerial( 0 );
// 对调试工具进行初始化(这个应该是在初期才使用的吧，商业操做系统上在这里应该没有调试相关的代码)
HW.DebugUtil.Initialize();
HW.DebugUtil.SendMessage( " Logging " , " Initialized! " );
// 初始化时钟？不知道有啥用
HW.PIT.Initialize(Tick);

// Partially new
// 初始化中断处理程序，此处是挂在不一样的处理程序到对应的中断向量号上
Interrupts.Init();
// end partially new

// 初始化ATA存储设备，一般指的是硬盘，此处传入的参数是一个委托，委托内容为一个死循环，也就是没有作任何实现，估计之后会补上
HW.Storage.ATA.Initialize(Sleep);

// 建立IDT，若是要使用CPU的分页功能就必须建立一个IDT，并对其进行设置。这里这个函数也是没有作任何实现，由于仍是MS1，COSMOS能作的事情还不多，不必使用到CPU的分页功能。
HW.CPU.CreateIDT();
// end old -----------------

// 把键盘添加到系统设备中
HW.Device.Add( new Bus.CPU.Keyboard());
}

这样就算是基本完成了，固然，对于不一样的操做系统，初始化的流程可能会不同，这得根据实际的硬件状况来决定。

以上的初始化函数中大量调用了这个操做：void Write8(UInt16 aPort, byte aData)

这个是直接往端口中写入数据，根据IBM-PC兼容机的端口说明，对不一样的端口进行初始化其实就是往相应的端口中写入不一样的数据（但一般都是写入数据0）

这里完了以后咱们再跳回到上一层函数，看看Keyboard.Initialize()里面作了什么

View Code

//这是一个键盘设备的初始化函数，对于一个设备，COSMOS中使用相应的类和对象来实现设备的功能，之后支持的设备多了的话，这些初始化函数也可能会增多。
public static void Initialize() {
mBuffer = new Queue<uint> (BufferSize);

// Old
Hardware.Keyboard.Initialize(HandleScancode);
// New

mKeys = new List<KeyMapping>(128 );
//如下都是添加字符的映射关系进映射关系表
#region Letters
AddKey( 0x10, 'q' );
AddKey(0x100000, 'Q' );
AddKey(0x11, 'w' );
AddKey(0x110000, 'W' );
AddKey(0x12, 'e' );
AddKey(0x120000, 'E' );
AddKey(0x13, 'r' );
AddKey(0x130000, 'r' );
AddKey(0x14, 't' );
AddKey(0x140000, 'T' );
AddKey(0x15, 'y' );
AddKey(0x150000, 'Y' );
AddKey(0x16, 'u' );
AddKey(0x160000, 'U' );
AddKey(0x17, 'i' );
AddKey(0x170000, 'I' );
AddKey(0x18, 'o' );
AddKey(0x180000, 'O' );
AddKey(0x19, 'p' );
AddKey(0x190000, 'P' );

AddKey(0x1E, 'a' );
AddKey(0x1E0000, 'A' );
AddKey(0x1F, 's' );
AddKey(0x1F0000, 'S' );
AddKey(0x20, 'd' );
AddKey(0x200000, 'D' );
AddKey(0x21, 'f' );
AddKey(0x210000, 'F' );
AddKey(0x22, 'g' );
AddKey(0x220000, 'G' );
AddKey(0x23, 'h' );
AddKey(0x230000, 'H' );
AddKey(0x24, 'j' );
AddKey(0x240000, 'J' );
AddKey(0x25, 'k' );
AddKey(0x250000, 'K' );
AddKey(0x26, 'l' );
AddKey(0x260000, 'L' );

AddKey(0x2C, 'z' );
AddKey(0x2C0000, 'Z' );
AddKey(0x2D, 'x' );
AddKey(0x2D0000, 'X' );
AddKey(0x2E, 'c' );
AddKey(0x2E0000, 'C' );
AddKey(0x2F, 'v' );
AddKey(0x2F0000, 'V' );
AddKey(0x30, 'b' );
AddKey(0x300000, 'B' );
AddKey(0x31, 'n' );
AddKey(0x310000, 'N' );
AddKey(0x32, 'm' );
AddKey(0x320000, 'M' );
#endregion

#region digits
AddKey( 0x1, '`' );
AddKey(0x10000, '~' );
AddKey(0x2, '1' );
AddKey(0x20000, '!' );
AddKey(0x3, '2' );
AddKey(0x30000, '@' );
AddKey(0x4, '3' );
AddKey(0x40000, '#' );
AddKey(0x5, '4' );
AddKey(0x50000, '$' );
AddKey(0x6, '5' );
AddKey(0x60000, '%' );
AddKey(0x7, '6' );
AddKey(0x70000, '^' );
AddKey(0x8, '7' );
AddKey(0x80000, '&' );
AddKey(0x9, '8' );
AddKey(0x90000, '*' );
AddKey(0xA, '9' );
AddKey(0xA0000, '(' );
AddKey(0xB, '0' );
AddKey(0xB0000, ')' );

#endregion

#region Special
AddKey( 0x1C, '\n' );
AddKey(0x1C0000, '\n' );
AddKey(0x39, ' ' );
AddKey(0x390000, ' ' );
AddKey(0x0E, '\u0968' );
AddKey(0x0E0000, '\u0968' );
#endregion

#region Punctuation
AddKey( 0x34, '.' );
AddKey(0x340000, '>' );
#endregion
}

好了，硬件的设置（初始化）总算完了，让咱们回到最上层的函数看看接下来的是什么。

在这以后操做系统的任务就算是基本完成了，剩下的就应该是程序的调度运行的工做了，从源代码中能够看到COSMOS是直接运行了一个猜数的程序，咱们看一下运行截图：

好了，COSMOS MS1的启动流程和运行到这里就算是结束了。可是还有几个问题没有解开，好比：System.Console.WriteLine（string）这个函数。对于在.net framework环境下编程的朋友可能尚未意识到，问题在什么地方。

首先System.Console.WriteLine是向显示器上显示字符，可是在咱们刚才的代码中没有看到与显示器设备初始化相关的代码，在.net 环境下之因此可以向显示器上输出字符是由于.net framework在程序启动以前已经进行了这部份相关代码的加载，当程序中遇到System.Console.WriteLine相似的函数调用时，实际上是调用的.net framework中的代码来实现的，这就是为何咱们在编写.net 程序的时候须要引入相应的dll，这些加载代码就在这些dll里面。

可是COSMOS是独立于.net framework来运行的，也就是说COSMOS在运行时是没加载过任何.net framework中的dll，这部分功能的实现COSMOS是经过编写本身的程序库（Plugs）来完成的，这个部分上一篇文章介绍IL2CPU编译器时小小地涉及了一下，更多的内容将在下一遍文章中说明，呵呵（诶呀！谁扔过来的鸡蛋！）

欢迎你们实践学习交流，任何意见和错误都欢迎指出，一块儿学习，共同进步 J

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参考资料：

《程序员的自我修养—链接、装载与库》

《操做系统的设计与实现》--上册

《深度探索C++对象模型》

鸟哥的LINUX私房菜

Intel Vol 3A System Programming Guide Part 1

《编译原理》—“龙书”第二版