30天自制操作系统学习-第9天

最新推荐文章于 2024-08-16 22:34:12 发布

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本文探讨了在操作系统层面如何管理内存，包括内存分配和释放的具体实现，以及高速缓存的工作原理和对CPU性能的影响。文章详细介绍了如何检测和利用486以上CPU的缓存特性，以及如何在内存管理中考虑缓存的存在。

1 整理源文件

昨天对鼠标键盘的控制函数都放在了HariMain主函数中，今天我们先将这些功能独立一个对应的C文件中即可。修改后的文件目录结构：

只需在bootpack.h头文件中声明即可：

2 内存管理

高速缓存----维基百科：

Cache一词来源于1967年的一篇电子工程期刊论文。其作者将法语词“cache”赋予“safekeeping storage”的涵义，用于计算机工程领域。PC-AT/XT和80286时代,没有Cache，CPU和内存都很慢，CPU直接访问内存。80386的芯片组增加了对可选的Cache的支持，高级主板带有64KB，甚至高端大气上档次的128KB Write-Through Cache。80486 CPU里面加入了8KB的L1 Unified Cache，当时也叫做内部Cache，不分代码和数据，都存在一起；芯片组中的Cache，变成了L2，也被叫做外部Cache，从128KB到256KB不等；增加了Write-back的Cache属性。Pentium CPU的L1 Cache分为Code和data，各自8KB；L2还被放在主板上。Pentium Pro的L2被放入到CPU的Package上。Pentium 4开始，L2 Cache被放入了CPU的Die中。从Intel Core CPU开始，L2 Cache为多核共享。

当CPU处理数据时，它会先到Cache中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从随机存取存储器（Main memory）中读取数据——由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快，主存储器周期（访问主存储器所需要的时间）为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。

提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”，即一定程序执行时间和空间内，被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用，不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”，还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术——尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存里。

CPU的缓存曾经是用在超级计算机上的一种高级技术，不过现今计算机上使用的的AMD或Intel微处理器都在芯片内部集成了大小不等的数据缓存和指令缓存，通称为L1缓存（L1 Cache即Level 1 On-die Cache，第一级片上高速缓冲存储器）；而比L1更大容量的L2缓存曾经被放在CPU外部（主板或者CPU接口卡上），但是现在已经成为CPU内部的标准组件；更昂贵的CPU会配备比L2缓存还要大的L3缓存（level 3 On-die Cache第三级高速缓冲存储器）。

CPU访问内存时寄存器对内存单元的访问速度并不快，相比寄存器与寄存器之间的访问而言，为此CPU的设计者使用缓存这一概念提高访问速度，读取内存单元数据时，CPU会先检查缓存中，如果存在则取出，这样无需通过访问内存单元。当CPU向内存单元写入数据前，会先往缓存里写入。值得一提的是机器语言乃至汇编语言，高级语言，程序运行的大部分时间都花费在循环上，为此。比如for(int i=0;i<100;i++),CPU在缓存内会对i频繁赋值进行处理，在循环结束后才往内存单元中写入i最终的值，而不是每循环一次写入一次。

我们在检查内存时需要注意CPU是否有缓存，如果在忽略CPU缓存的情况下对内存进行检查是否被使用，而CPU缓存已经预约了内存中的某块地址，而仅仅是还没写入内存而已，这样我们的程序将会混乱。

486以上的CPU都有高速缓存这一机制，当我们检查到CPU位486以上时，我们需要先将CPU的高速缓存置为OFF，那么如何检查CPU是386还是486以上，我们检查EFLAGS的第18位即所谓的AC标志，如果CPU是386那么AC标志位则为0，如果是486以上则为1。我们检查AC标志位是否为1即可。

那么管理内存又有什么用呢，假设我们内存任意使用，例如应用程序A需要120kb内存，画面控制需要100kb。在内存被使用时应该标志这一段内存，避免其他应用占用而使系统应用错乱，在应用使用完所需的内存单元后，需要释放那部分不需要的内存单元，继而让其它应用使用。

具体代码上的实现：

/* bootpack主函数*/

#include "bootpack.h"
#include <stdio.h>

#define MEMMAN_FREES 4090 /* 大约是32KB*/

struct FREEINFO { /* 可用信息 */
	unsigned int addr, size;
};
struct MEMMAN { /* 内存管理 */
	int frees, maxfrees, lostsize, losts;
	struct FREEINFO free[MEMMAN_FREES];
};

unsigned int memtest(unsigned int start, unsigned int end);
void memman_init(struct MEMMAN *man);
unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man);
unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size);
int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size);

#define MEMMAN_ADDR 0x003c0000

void HariMain(void)
{
	struct BOOTINFO *binfo = (struct BOOTINFO *) ADR_BOOTINFO;
	char s[40], mcursor[256], keybuf[32], mousebuf[128];
	int mx, my, i;
	struct MOUSE_DEC mdec;

	unsigned int memtotal;
	struct MEMMAN *memman = (struct MEMMAN *) MEMMAN_ADDR;

	init_gdtidt();
	init_pic();
	io_sti(); /* IDT/PIC的初始化已经完成，于是开放CPU的中断 */

	fifo8_init(&keyfifo, 32, keybuf);
	fifo8_init(&mousefifo, 128, mousebuf);
	io_out8(PIC0_IMR, 0xf9); /* 开放PIC1和键盘中断(11111001) */
	io_out8(PIC1_IMR, 0xef); /* 开放鼠标中断(11101111) */

	init_keyboard();
	enable_mouse(&mdec);
	memtotal = memtest(0x00400000, 0xbfffffff);
	memman_init(memman);
	memman_free(memman, 0x00001000, 0x0009e000); /* 0x00001000 - 0x0009efff */
	memman_free(memman, 0x00400000, memtotal - 0x00400000);

	init_palette();
	init_screen8(binfo->vram, binfo->scrnx, binfo->scrny);
	mx = (binfo->scrnx - 16) / 2; /* 计算画面中心坐标 */
	my = (binfo->scrny - 28 - 16) / 2;
	init_mouse_cursor8(mcursor, COL8_008484);
	putblock8_8(binfo->vram, binfo->scrnx, 16, 16, mx, my, mcursor, 16);
	sprintf(s, "(%d, %d)", mx, my);
	putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, s);

	sprintf(s, "memory %dMB free : %dKB", memtotal / (1024 * 1024), memman_total(memman) / 1024);
	putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 32, COL8_FFFFFF, s);

	for (;;) {
		io_cli();
		if (fifo8_status(&keyfifo) + fifo8_status(&mousefifo) == 0) {
			io_stihlt();
		} else {
			if (fifo8_status(&keyfifo) != 0) {
				i = fifo8_get(&keyfifo);
				io_sti();
				sprintf(s, "%02X", i);
				boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_008484,  0, 16, 15, 31);
				putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 16, COL8_FFFFFF, s);
			} else if (fifo8_status(&mousefifo) != 0) {
				i = fifo8_get(&mousefifo);
				io_sti();
				if (mouse_decode(&mdec, i) != 0) {
					/* 3字节都凑齐了，所以把它们显示出来*/
					sprintf(s, "[lcr %4d %4d]", mdec.x, mdec.y);
					if ((mdec.btn & 0x01) != 0) {
						s[1] = 'L';
					}
					if ((mdec.btn & 0x02) != 0) {
						s[3] = 'R';
					}
					if ((mdec.btn & 0x04) != 0) {
						s[2] = 'C';
					}
					boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_008484, 32, 16, 32 + 15 * 8 - 1, 31);
					putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 32, 16, COL8_FFFFFF, s);
					/* 鼠标指针的移动 */
					boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_008484, mx, my, mx + 15, my + 15); /* 隐藏鼠标 */
					mx += mdec.x;
					my += mdec.y;
					if (mx < 0) {
						mx = 0;
					}
					if (my < 0) {
						my = 0;
					}
					if (mx > binfo->scrnx - 16) {
						mx = binfo->scrnx - 16;
					}
					if (my > binfo->scrny - 16) {
						my = binfo->scrny - 16;
					}
					sprintf(s, "(%3d, %3d)", mx, my);
					boxfill8(binfo->vram, binfo->scrnx, COL8_008484, 0, 0, 79, 15); /* 隐藏坐标 */
					putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 0, COL8_FFFFFF, s); /* 显示坐标 */
					putblock8_8(binfo->vram, binfo->scrnx, 16, 16, mx, my, mcursor, 16); /* 描画鼠标 */
				}
			}
		}
	}
}

#define EFLAGS_AC_BIT			0x00040000
#define CR0_CACHE_DISABLE	0x60000000

unsigned int memtest(unsigned int start, unsigned int end) 
{
	char flg486 = 0;
	unsigned int eflg, cr0, i;

	/* 确认CPU是386还是486以上的 */
	eflg = io_load_eflags();
	eflg |= EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 1 */
	io_store_eflags(eflg);
	eflg = io_load_eflags();
	if ((eflg & EFLAGS_AC_BIT) != 0) {
		/* 如果是386，即使设定AC=1，AC的值还会自动回到0 */
		flg486 = 1;
	}

	eflg &= ~EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 0 */
	io_store_eflags(eflg);

	if (flg486 != 0) {
		cr0 = load_cr0();
		cr0 |= CR0_CACHE_DISABLE; /* 禁止缓存 */ 
		store_cr0(cr0);
	}

	i = memtest_sub(start, end);

	if (flg486 != 0) {
		cr0 = load_cr0();
		cr0 &= ~CR0_CACHE_DISABLE; /* 允许缓存 */
		store_cr0(cr0);
	}

	return i;
}

void memman_init(struct MEMMAN *man){
	man->frees = 0;    /* 可用信息数目 */
	man->maxfrees = 0; /* 用于观察可用状况：frees的最大值 */
	man->lostsize = 0; /* 释放失败的内存的大小总和 */
	man->losts = 0;    /* 释放失败次数 */
	return;
}

unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man)
/* 报告空余内存大小的合计 */
{
	unsigned int i, t = 0;
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		t += man->free[i].size;
	}
	return t;
}

unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size)
/* 分配 */
{
	unsigned int i, a;
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		if (man->free[i].size >= size) {
			/* 找到了足够大的内存 */
			a = man->free[i].addr;
			man->free[i].addr += size;
			man->free[i].size -= size;
			if (man->free[i].size == 0) {
				/* 如果free[i]变成了0，就减掉一条可用信息 */
				man->frees--;
				for (; i < man->frees; i++) {
					man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 代入结构体 */
				}
			}
			return a;
		}
	}
	return 0; /* 没有可用空间 */
}

int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size)
/* 释放 */
{
	int i, j;
	/* 为便于归纳内存，将free[]按照addr的顺序排列 */
	/* 所以，先决定应该放在哪里 */
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		if (man->free[i].addr > addr) {
			break;
		}
	}
	/* free[i - 1].addr < addr < free[i].addr */
	if (i > 0) {
		/* 前面有可用内存 */
		if (man->free[i - 1].addr + man->free[i - 1].size == addr) {
			/* 可以与前面的可用内存归纳到一起 */
			man->free[i - 1].size += size;
			if (i < man->frees) {
				/* 后面也有 */
				if (addr + size == man->free[i].addr) {
					/* 也可以与后面的可用内存归纳到一起 */
					man->free[i - 1].size += man->free[i].size;
					/* man->free[i]删除 */
					/* free[i]变成0后归纳到前面去 */
					man->frees--;
					for (; i < man->frees; i++) {
						man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 结构体赋值 */
					}
				}
			}
			return 0; /* 成功完成 */
		}
	}
	/* 不能与前面的可用空间归纳到一起 */
	if (i < man->frees) {
		/* 后面还有 */
		if (addr + size == man->free[i].addr) {
			/* 可以与后面的内容归纳到一起 */
			man->free[i].addr = addr;
			man->free[i].size += size;
			return 0; /* 成功完成 */
		}
	}
	/* 既不能与前面归纳到一起，也不能与后面归纳到一起 */
	if (man->frees < MEMMAN_FREES) {
		/* free[i]之后的，向后移动，腾出一点可用空间 */
		for (j = man->frees; j > i; j--) {
			man->free[j] = man->free[j - 1];
		}
		man->frees++;
		if (man->maxfrees < man->frees) {
			man->maxfrees = man->frees; /* 更新最大值 */
		}
		man->free[i].addr = addr;
		man->free[i].size = size;
		return 0; /* 成功完成 */
	}
	/* 不能往后移动 */
	man->losts++;
	man->lostsize += size;
	return -1; /* 失败 */
}

运行：