自主操作系统LMOS-00.04发布啦

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恍恍然三个月过去了，也三个月没写点什么了，这三个月我倒是写了不少代码，是时侯把lmos拿出来说说了，这将是lmos的第四个开发版。今年的三个月已经完了，又只有9个月了，时间紧迫的孩纸们要抓紧啦，其实开发操作系统内核就是要足够的时间，时间越多越好，可往往不如我愿，时间总是不够用。
先来说说lmos第四个开发版有什么新的特性吧。
1、从这个版本开始，lmos不在支持32位x86体系结构了，而是支持更先进那么一点点的64位x86体系结构了，它的名字叫AMD64。
2、lmos这个版本开始拥有虚拟内存了。这个说起来很复杂，那就等会儿在说。
3、lmos从这个版本开始，支持从U盘启动了，当然有个前提，那就是你的计算机主板必须支持从U
盘这类USB介质引导你的计算机，这点给想要在物理机上验证和捣鼓lmos的朋友提供了方便。
为什么lmos从32位突然之间就变成全64位的了，是因为我开发虚拟内存管理器在32位下受到了严重的局限性。后来一想以后反正要支持64位的，不如趁早，以免日后麻烦。其实现在物理机的内存容量已经超过4GB了。x86--64体系结构是AMD公司最先定义出来的，这就是为什么叫AMD64的原因。实现AMD64体系结构的时候，他们的工程师被要求这样，要保证原有32位的os和app，能够不经过任何修改就能运行在AMD64体系结构上。64位的OS能够执行未经修改的32位app。在这些保证下还要尽量改进x86.你不得不惊叹搞x86的工程师们有多伟大、有多痛苦，呵呵。其实AMD64体系结构改得还是不错的。段 几乎不起作用了，TSS的作用也改变了，中断的栈也更加规范了，寄存器全64位了而且寄存器还多了不少，看来他们也知道x86的寄存器太少了，页表也是4层了，支持4KB，2MB，1GB这几种大小的页面。LMOS是全64位的内核，同时也要求应用程序和驱动也是64位的，LMOS不会兼容32位的程序。AMD64的寄存器虽然是64位的，但并不代表它可以访问0～0xffffffffffffffff之间所有的物理地址，事实上在当前的AMD64体系结构的CPU上只有48根地址线，甚至更少。那么它是怎么做的呢，它要求64位寄存器从48位开始用符号位扩展，也就是说CPU只能访问这两个区间的地址：0～0x00007fffffffffff和
0xffff800000000000～0xffffffffffffffff，如果你访问0x800000000000～0xffff800000000000之间的地址CPU会产生异常。但这一实现非常有利于日后的扩展，我这有幅图大家可以看看：

这一改变佐证了LMOS的可移植性，因为LMOS内核有硬件抽象层的概念，我只花了几个周的时间写了个64位的硬件抽象层，然后把这个层和上层硬件无关的层链接起来就完事儿了。也就是说我要把LMOS移植到ARM体系结构上，只要写个ARM的硬件抽象层外加少许改动就行了，这种设计使lmos成为通用操作系统变成可能。
在来看看这一版本中lmos的虚拟内存管理器。虚拟内存在操作系统理论书籍中只花很少篇幅介绍了那么一点点，实际中虚拟内存可谓重中之重，可谓是操作系统内核的内核。先看看LMOS这一版本中虚拟内存管理器的总框架图，我画的很简陋，大家看看吧：

为什么虚拟内存管理是内核的内核，我举个例子吧。比如操作系统要描述一个线程，那么就必须要定义一个数据结构来表示一个线程，（说句题外话，我现在才真正明白，C语言书前面那句话："程序=数据结构+算法"）好了回来，这个表示线程的数据结构只有在内存中有了真正的实例，程序（内核）才能工作。内核为支持多线程那么这种数据结构的实例就需要很多，比如可能有2000个线程你总不能静态的定义2000个这种数据结构的数组，这样确实能够工作，但是这样使用内存太低效了，太不智能了，因为有可能有时系统中只有两三个线程，这时就浪费了内存，如果有时系统中超过2000个线程时，这时你没办法了。类似这种数据结构系统中是非常多的，通常只有几10字节、几100字节到1KB之间。既然静态的不行，就只有用动态的方法，那就是：要用的时侯就分配并初始化一个数据结构实例，不要时就释放这个实例所占用的内存空间。LMOS这个版本重新实现了一个更为先进的内存池，来处理这种问题，先说了这种数据结构只有10字节、几100字节到1KB之间。你总不能一次就分配一个页面，这叫浪费。内存池就是为解决这个问题的。
现代意义的操作系统，好像都有保护、安全这种类概念，这些概念是怎么实现的呢，CPU提供了一些机制。把一部分关键指令规定为特权指令，把程序里出现的访存地址规定为虚拟地址，要通过地址映射部件映射之后，才能访问真正的物理内存。这两套机制形成了编写现代操作系统的基石。这使得每个进程都有一个独立的地址空间，而这个空间由于权力不同，可以被分为，用户空间和内核空间。这样就形成了一个"保护"的概念。这些概念在lmos中是如何利用的呢，这有个图：

由上可知，x86--64下 只能访问两个区间的地址，既然硬件都是这么实现的，而且这种实现有利于扩展，那么我也没什么好改的了，0～0x00007fffffffffff的虚拟地址区间为进程的用户空间，这个空间是每个进程私有的，其它别的进程不能访问，而且这个区间有虚拟内存管理器分配和映射物理内存。0xffff800000000000～0xffffffffffffffff的虚拟地址区间为LMOS内核空间，这个空间是所有进程共享的，在x86上好像只能这样了没有别的选择，我试过很多种别的空间分配法都没法成立。只能是上图那样的。
LMOS这个版本支持U盘启动了，为了让更多的人，能够在物理机上捣鼓和验证LMOS内核，我这次重写了lmos内核的引导程序，以便能从U盘启动lmos，大家也更能相信LMOS是个真正的玩意儿。U盘也不用很大,32MB就行啦，但是使用前请备份好你U盘中的数据。LMOS会删除U盘上所有的数据。如果你想捣鼓一下的话，请在linux下插入U盘，然后到/dev目录下查看你U盘的设备文件名，一般可能是sd（x）这样的名字，括号中的X是变化的，如果你有两块硬盘的话，你就会在/dev目录下看到：sda、sdb、这样的设备文件名，当你在插入U盘时，就会看到sdc，找到且确认是U盘的设备文件名后，在终端下切换到放lmos内核文件的目录下，执行sudo make U_DSK=/dev/sdb，（我的linux下，我的U盘设备文件名是 sdb 所以才能这样，如果你的不是或者不能确定是不是，千万别执行上面那条命令），否则造成的数据丢失，本人一概不负责。
虚拟机中安装，我推荐大家使用这种方式，这样既不需要另的一块空U盘，也不需要大家的宿主操作系统是LINUX。大家首先确保你的宿主操作系统中安装有Oracle VM VirtualBox 虚拟机软件。如果没有请大家自行下载相关操作系统版本的Oracle VM VirtualBox并安好。安装好后，先新建个虚拟机，然后下载（点此下载）本人提供的虚拟机硬盘镜像。并挂载在虚拟机上，启动虚拟机即可运行LMOS。这次我还提供了VMDK格式的硬盘镜像。方便使用VM虚拟机的朋友。
最后说说这次的shell，我提供了几条极为简单的命令：
r 重启计算机 如下图

t 查看lmos内部的进程、线程数 如下图

m 查看计算机物理内存的使用情况 如下图

p 查看计算机内部的pci总线和设备 如下图

LMOS内核镜像包下载