《30天自制操作系统》样章 多任务（1）——挑战任务切换（harib12a)

多任务（1）--挑战任务切换（harib12a）

“话说，多任务到底是啥呢？”我们今天的内容，就从这个问题开始吧。

多任务，在英语中叫做“multitask”，顾名思义就是“多个任务”的意思。简单地说，在Windows等操作系统中，多个应用程序同时运行的状态（也就是同时打开好几个窗口的状态）就叫做多任务。

对于生活在现代社会的各位来说，这种多任务简直是理所当然的事情。比如你会一边用音乐播放软件听音乐一边写邮件，邮件写到一半忽然有点东西要查，便打开Web浏览器上网搜索。这对于大家来说这些都是家常便饭了吧。可如果没有多任务的话会怎么样呢？想写邮件的时候就必须关掉正在播放的音乐，要查东西的时候就必须先保存写到一半的邮件，然后才能打开Web浏览器……光想象一下就会觉得太不方便了。

然而在从前，没有多任务反倒是普遍的情形（那个时候大家不用电脑听音乐，也没有互联网）。在那个年代，电脑一次只能运行一个程序，如果要同时运行多个程序的话，就得买好几台电脑才行。

就在那个时候，诞生了昀初的多任务操作系统，大家都觉得太了不起了。从现在开始，我们也要准备给“纸娃娃系统”添加执行多任务的能力了。连这样一个小不点儿操作系统都能够实现多任务，真是让人不由地感叹它生逢其时呀。

稍稍思考一下我们就会发现，多任务这个东西还真是奇妙，它究竟是怎样做到让多个程序同时运行的呢？如果我们的电脑里面装了好多个CPU的话，同时运行多个程序倒也顺理成章，但实际上就算我们只有一个CPU，照样可以实现多任务。

其实说穿了，这些程序根本没有在同时运行，只不过看上去好像是在同时运行一样：程序A运行一会儿，接下来程序B运行一会儿，再接下来轮到程序C，然后再回到程序A……如此反复，有点像日本忍者的“分身术”呢（笑）。

为了让这种分身术看上去更完美，需要让操作系统尽可能快地切换任务。如果10秒才切换一次，那就连人眼都能察觉出来了，同时运行多个程序的戏码也就穿帮了。再有，如果我们给程序C发出一个按键指令，正巧这个瞬间系统切换到了程序A的话，我们就不得不等上20秒，才能重新轮到程序C对按键指令作出反应。这实在是让人抓狂啊（哭）。

在一般的操作系统中，这个切换的动作每0.01～0.03秒就会进行一次。当然，切换的速度越快，让人觉得程序是在同时运行的效果也就越好。不过，CPU进行程序切换（我们称为“任务切换”）这个动作本身就需要消耗一定的时间，这个时间大约为0.0001秒左右，不同的CPU及操作系统所需的时间也有所不同。如果CPU每0.0002秒切换一次任务的话，该CPU处理能力的50%都要被任务切换本身所消耗掉。这意味着，如果同时运行2个程序，每个程序的速度就只有单独运行时的1/4，这样你会觉得开心吗？如果变成这种结果，那还不如干脆别搞多任务呢。

相比之下，即便是每0.001秒切换一次任务，单单在任务切换上面也要消耗CPU处理能力的10%。大概有人会想，10%也没什么大不了的吧？可如果你看看速度快10%的CPU卖多少钱，说不定就会恍然大悟，“对啊，只要优化一下任务切换间隔，就相当于一分钱也不花，便换上了比现在更快的CPU嘛……”（笑），你也就明白了浪费10%也是很不值得的。正是因为这个原因，任务切换的间隔昀短也得0.01秒左右，这样一来只有1%的处理能力消耗在任务切换上，基本上就可以忽略不计了。

关于多任务是什么的问题，已经大致讲得差不多了，接下来我们来看看如何让CPU来处理多任务。

当你向CPU发出任务切换的指令时，CPU会先把寄存器中的值全部写入内存中，这样做是为了当以后切换回这个程序的时候，可以从中断的地方继续运行。接下来，为了运行下一个程序，CPU会把所有寄存器中的值从内存中读取出来（当然，这个读取的地址和刚刚写入的地址一定是不同的，不然就相当于什么都没变嘛），这样就完成了一次切换。我们前面所说的任务切换所需要的时间，正是对内存进行写入和读取操作所消耗的时间。

接下来我们来看看寄存器中的内容是怎样写入内存里去的。下面这个结构叫做“任务状态段”（taskstatussegment），简称TSS。TSS有16位和32位两个版本，这里我们使用32位版。顾名思义，TSS也是内存段的一种，需要在GDT中进行定义后使用。

参考上面的结构定义，TSS共包含26个int成员，总计104字节（摘自CPU的技术资料），我特意把它们分成4行来写。从开头的backlink起，到cr3为止的几个成员，保存的不是寄存器的数据，而是与任务设置相关的信息，在执行任务切换的时候这些成员不会被写入（backlink除外，某些情况下是会被写入的）。后面的部分中我们会用到这里的设定，不过现在你完全可以先忽略它。

第2行的成员是32位寄存器，第3行是16位寄存器，应该没必要解释了吧……不对，eip好像到现在还没讲过呢。EIP的全称是“extendedinstructionpointer”，也就是“扩展指令指针寄存器”的意思。这里的“扩展”代表它是一个32位寄存器，也就是说其对应的16位版本叫做IP，类比一下的话，跟EAX与AX之间的关系是一样的。

EIP是CPU用来记录下一条需要执行的指令位于内存中哪个地址的寄存器，因此它才被称为

“指令指针”。如果没有这个寄存器，记性不好的CPU就会忘记自己正在运行哪里的程序，于是程序就没办法正常运行了。每执行一条指令，EIP寄存器中的值就会自动累加，从而保证一直指向下一条指令所在的内存地址。

说点题外话，JMP指令实际上是一个向EIP寄存器赋值的指令。JMP0x1234这种写法，CPU会解释为MOVEIP,0x1234，并向EIP赋值。也就是说，这条指令其实是篡改了CPU记忆中下一条该执行的指令的地址，蒙了CPU一把。这样一来，CPU在读取下一条指令时，就会去读取0x1234这个地址中的指令。你看，这不就相当于是做了一个跳转吗？

对了，如果你在汇编语言里用MOVEIP,0x1234这种写法是会出错的，还是不要尝试的好。在汇编语言中，应该使用JMP0x1234来代替MOVEIP,0x1234。

如果在TSS中将EIP寄存器的值记录下来，那么当下次再返回这个任务的时候，CPU就可以明白应该从哪里读取程序来运行了。

按照常识，段寄存器应该是16位的才对，可是在TSS数据结构中却定义成了int（也就是DWORD）类型。我们可以大胆想象一下，说不定英特尔公司的人将来会把段寄存器变成32位的，这样想想也挺有意思的呢（笑）。

第4行的ldtr和iomap也和第1行的成员一样，是有关任务设置的部分，因此在任务切换时不会被CPU写入。也许你会想，那就和第1行一样，暂时先忽略好了——但那可是绝对不行的！如果胡乱赋值的话，任务就无法正常切换了，在这里我们先将ldtr置为0，将iomap置为0x40000000就好了。

关于TSS的话题暂且先告一段落，我们回来继续讲任务切换的方法。要进行任务切换，其实还得用JMP指令。JMP指令分为两种，只改写EIP的称为near模式，同时改写EIP和CS的称为far模式，在此之前我们使用的JMP指令基本上都是near模式的。不记得CS是什么了？CS就是代码段（codesegment）寄存器啦。

说起来我们其实用过一次far模式的JMP指令，就在asmhead.nas的“bootpack启动”的昀后一句（见8.5节）。MPDWORD2*8:0x0000001b这条指令在向EIP存入0x1b的同时，将CS置为2*8（=16）。像这样在JMP目标地址中带冒号（:）的，就是far模式的JMP指令。

如果一条JMP指令所指定的目标地址段不是可执行的代码，而是TSS的话，CPU就不会执行通常的改写EIP和CS的操作，而是将这条指令理解为任务切换。也就是说，CPU会切换到目标TSS所指定的任务，说白了，就是JMP到一个任务那里去了。

CPU每次执行带有段地址的指令时，都会去确认一下GDT中的设置，以便判断接下来要执行的JMP指令到底是普通的far-JMP，还是任务切换。也就是说，从汇编程序翻译出来的机器语言来看，普通的far-JMP和任务切换的far-JMP，指令本身是没有任何区别的。

好了，枯燥的讲解就到这里，让我们实际做一次任务切换吧。我们准备两个任务：任务A和任务B，尝试从A切换到B。

现在两个TSS都创建好了，该进行实际的切换了。

我们向TR寄存器存入3*8这个值，这是因为我们刚才把当前运行的任务定义为GDT的3号。TR寄存器以前没有提到过，它的作用是让CPU记住当前正在运行哪一个任务。当进行任务切换的时候，TR寄存器的值也会自动变化，它的名字也就是“taskregister”（任务寄存器）的缩写。我们每次给TR寄存器赋值的时候，必须把GDT的编号乘以8，因为英特尔公司就是这样规定的。如果你有意见的话，可以打电话找英特尔的大叔投诉哦（笑）。

给TR寄存器赋值需要使用LTR指令，不过用C语言做不到。唉，各位是不是都已经见怪不怪了啊？啥？你早就料到了？（笑）所以说，正如你所料，我们只能把它写进naskfunc.nas里面。

对了，LTR指令的作用只是改变TR寄存器的值，因此执行了LTR指令并不会发生任务切换。要进行任务切换，我们必须执行far模式的跳转指令，可惜far跳转这事C语言还是无能为力，这种语言还真是不方便啊。没办法，这个函数我们也得在naskfunc.nas里创建。

也许有人会问，在JMP指令后面写个RET有意义吗？也对，通常情况下确实没意义，因为已经跳转到别的地方了嘛，后面再写什么指令也不会被执行了。不过，用作任务切换的JMP指令却不太一样，在切换任务之后，再返回这个任务的时候，程序会从这条JMP指令之后恢复运行，也就是执行JMP后面的RET，从汇编语言函数返回，继续运行C语言主程序。

另外，如果far-JMP指令是用作任务切换的话，地址段（冒号前面的4*8的部分）要指向TSS这一点比较重要，而偏移量（冒号后面的0的部分）并没有什么实际作用，会被忽略掉，一般来说像这样写0就可以了。

现在我们需要在HariMain的某个地方来调用taskswitch()，可到底该写在哪里呢？唔，有了，就放在显示“10[sec]”的语句后面好了。也就是说，程序启动10秒以后进行任务切换。

大功告成了？不对，我们还没准备好tss_b呢。在任务切换的时候需要读取tss_b的内容，因此我们得在TSS中定义好寄存器的初始值才行。

乍看之下，貌似会有很多看不懂的地方吧，我们从后半段对寄存器赋值的地方开始看。这里我们给cs置为GDT的2号，其他寄存器都置为GDT的1号，asmhead.nas的时候也是一样的。也就是说，我们这次使用了和bootpack.c相同的地址段。当然，如果你用别的地址段也没问题，不过这次我们只是想随便做个任务切换的实验而已，这种麻烦的事情还是以后再说吧。

继续看剩下的部分，关于eflags的赋值，如果把STI后的EFLAGS的值通过io_load_eflags赋给变量的话，该变量的值就显示为0x00000202，因此在这里就直接使用了这个值，仅此而已。如果还有看不懂的地方，大概就是eip和esp的部分了吧。

。。。。。。

　在eip中，我们需要定义在切换到这个任务的时候，要从哪里开始运行。在这里我们先把task_b_main这个函数的内存地址赋值给它。

这个函数只执行了一个HLT，没有任何实际作用，后面我们会对它进行各种改造，现在就先这样吧。

task_b_esp是专门为任务B所定义的栈。有人可能会说，直接用任务A的栈不就好了吗？那可不行，如果真这么做的话，栈就会混成一团，程序也无法正常运行。

总之先写成这个样子了。我们为任务B的栈分配了64KB的内存，并计算出栈底的内存地址。

请各位回忆一下向栈PUSH数据（入栈）的动作，ESP中存入的应该栈末尾的地址，而不是栈开

头的地址。

好了，我们已经讲解得够多了，现在总算是万事俱备啦，马上“makerun”一下吧。这个程

序如果运行正常的话应该是什么样子呢？嗯，启动之后的10秒内，还是跟以前一样的，10秒一到便执行任务切换，task_b_main开始运行。因为task_b_main只有一句HLT，所以接下来程序就全部停止了，鼠标和键盘也应该都没有反应了。

唔……这样看起来好像很无聊啊，算了，总之我们先来“makerun”吧。10秒钟的等待还真

是漫长……哇！停了停了！

看来我们的首次任务切换获得了圆满成功。