Processes and Threads

相信這兩者差別，只要是做系統的人應該都會很了解。但對於我而言，卻相當模糊。記得有次在跟老外同學閒聊的時候，他問我這兩者的差別是在哪 ? 在當下我突然發現，要講給人懂是一件很困難的事，尤其是在對某個東西半理解狀態，更難解釋。所以這篇文章就來淺淺的探討有關這兩者間的區別。

在現今每個人幾乎都有智慧型手機，而且可以同時執行超多程式，像是你在玩遊戲的同時，能夠接收到朋友的訊息、郵件或其它通知訊息。就跟在用桌機或筆電一樣，可以同時開啟好幾個應用程式。簡單來說，Process 就是 Program，就是一個應用程式，像是在手機上的 App，電腦上的 MicroSoft Word；而  Thread 就是這個 Process 裡面的一個單位執行緒 ( Unit of execution) ，如果打開了 MicroSoft Word (Process)，裡面的就有很多個Threads 在跑，像是 keyboard, print, save ...etc，就這是所謂的 Multiple-thread application。

Background
在談到Process和thread，或是說運行一個App，有三個非常重要的東西來負責管理：CPU, Memory (RAM), Memory controller。Memory controller 是一個介於CPU和RAM的界面，負責傳輸Data到CPU。當我們寫好一個程式，然後compile成binary code，這些binary code就會存放在RAM，接著透過 controller 把 data 傳到CPU。CPU內部有一個 queue line，也就是pipe line，依照FILO的原則放進這line當中來等待執行。

Multiple-thread application
那到底是如何實現multiple thread和multiple process ? 以Linux為例子，每一個process都會有PID, memory space, priority 和 schedule，依據priority和schedule來切換所有processes，這切換時間就叫 time slot，通常是在 1ms。

而一個process又有多個threads，這些threads 一般都是來靠 "鎖" (Lock) 來管理。如果這鎖沒管理好，很容易造成這個process當掉，更嚴重則是系統崩潰。像是我們常聽到 "死鎖" (Dead Lock) 就是因為 Thread 1 等待 Thread 2，而 Thread 2 又等待 Thread 1 釋放鎖而造成死循環。所以如何設計好這些threads 對於一個program or process 是非常重要的。

Compile Bochs with 10.4

之前在VitrualBox上安裝了ubuntu 9.10, compile和run都沒什麼太大問題.

但今天想在10.4重新安裝, 依照前一次的筆記照做, 發現在compile docbook時發生error :

Working on: /home/dicky/1Work/c-square/bochs-2.4.5/doc/docbook/./user/user.dbk
openjade:/home/dicky/1Work/c-square/bochs-2.4.5/doc/docbook/./user/user.dbk:3863:72:E: character "_" is not allowed in the value of attribute "LINKEND"
openjade:/home/dicky/1Work/c-square/bochs-2.4.5/doc/docbook/./user/user.dbk:3921:25:E: character "_" is not allowed in the value of attribute "ID"
openjade:/home/dicky/1Work/c-square/bochs-2.4.5/doc/docbook/./user/user.dbk:3960:25:E: character "_" is not allowed in the value of attribute "ID"
openjade:/home/dicky/1Work/c-square/bochs-2.4.5/doc/docbook/./user/user.dbk:3968:66:E: character "_" is not allowed in the value of attribute "LINKEND"
make[1]: *** [user/index.html] Error 8

滿明顯是"_"這個底線造成了錯誤, 可能是哪裡的文件沒定義該符號的使用

去官方網站查了一下, 才知道原來這是己知Bug, 但他們並不絕得是很大的問題所以並沒有在2.4.5 加入Fix.....(可能是覺得這是SGML的錯誤...跟他們沒關係= =)

Tracker:Bugs

上面有提供關於SGML的error & waring排除錯誤的網址, 其中有兩行解釋的很明白 :

value of attribute "LINKEND" must be a single token:

the label you used for a section contains spaces. Change spaces to, say, underscores or dashes.

value of attribute "ID" must be a single token:

you used a cross-reference to a label that contains spaces. Do not change the cross-reference. Change the label: change spaces to, say, underscores or dashes.

依照上面的解釋...把底線改成"-" or "~"就可以了 :)

Boot Sector

分析之前書上寫的Boot sector(引導扇區) , 加上一些不懂的 , 經過查找和看書...把一些理解原理記下來,有路過的PRO user..如有錯誤,請一定要指正小弟 ! 感激不盡 :D

先來看整個x86的開機啟動過程,這裡有分1st Bootload和2nd Bootload,大體可以這樣表示 :

1.電源開啟
2.CPU進行Reset工作
3.從BIOS的ROM中第FFF:0000位址開始執行General Bootloader
4.進行POST(開機自檢,Powe On Self Test)動作
5.讀取CMOS設定資料
6.讀取所選的磁碟機的CHS 0:0:1的磁區
7.從記憶體第0x7C00的位址開始執行2nd Bootload

註：CHS -- 指定磁區位置的方式，Cylinder: Head: Sector，0:0:1就代表第0個Cylinder(面)、第0個Head(磁軌)、第1個Sector(扇區)

其中3~7的動作就是1st Bootload,它是放在BIOS裡面的,我們沒辦法去對它做修改,因為這些是原廠出廠時就己經寫死了.

所以我們能自行撰寫2nd Bootload以及讓2nd Bootload跳轉至作業系統,但是有幾個規定要特別記住 :

1.這時只有單純CPU工作,作業系統完全沒被載入,所以我們僅能使用CPU指令,硬體I/O,BIOS中斷能使用而己,也就是說....想用C來寫2nd Bootload是不可能的 XD (除非有另外的函式庫....)

2.一個Sector的大小就是512Kbyte,據說是硬體規格(沒查證.....),也就是說....要寫出2nd Bootload,一定要把512Kbyte填滿 !

簡單來說,一旦BIOS發現了在0:0:1的開機磁區,就會把Sector(512Kbyte)的內容裝載到記憶體位址的0000:07C00處,然後再跳轉到0x7C00處將控制權全都交給這段(sector)開機程式碼,從這裡開始,電腦就不再由BIOS中固有的程式來控制,而變成作業系統的一部份來控制.

註:ROM BIOS的INT 19H(引導加載程序，相當於熱啟動系統) 固定裝入記憶體的0000:7C00H

所以,在2nd Bootload的程式碼開頭,一定要告訴CPU說,接下來的這些程式碼,是從0x7C00的地址開始的.

瞭解整個系統開機運作後,就可以來分析書上所提供的2nd Bootload程式碼 :


  1     org 07c00h        
  2     mov ax, cs
  3     mov ds, ax
  4     mov es, ax
  5     call    DispStr      
  6     jmp $        
  7 DispStr:
  8     mov ax, BootMessage
  9     mov bp, ax      
 10     mov cx, 16      
 11     mov ax, 01301h  
 12     mov bx, 000ch    
 13     mov dl, 0
 14     int 10h      
 15     ret
 16 BootMessage:        db  "Hello, OS world!"
 17 times   510-($-$$)  db  0
 18 dw  0xaa55            

雖然書上的程式碼都有註解,但我還是一一分析...畢竟我組語完全不熟....T_T

註: 8086CPU一共有14個暫存器,先介紹等下會用到的暫存器
通用暫存器：AX、BX、CX、DX
(可獨立8位元使用 , AH和AL , 最大值僅能0~255)
段暫存器 : CS、SS、DS、ES、PSW
可間接定址暫存器:BP


1行 : 調整偏移量偽指令ORG，指定下面的指令從7c00h處開始，因為BIOS一旦發現引導扇區，就會將這512字節裝載到記憶體的0000：7c00處

2行:將CS(Code Seg,程式暫存器)內容放到AX(通用暫存器)

3~4行:同樣將DS,ES暫存器指向AX,這樣一來,CS,DS,ES將指向相同的segment

5行: call function "DispStr"

6行:call function完之後,將跳到相同的地址,也就是它會無窮迴圈. $代表當前所在的位址

8行:將BootMessage內容放進AX

9行:AX內容放進BP,亦即BP同樣指向BootMessage

10行:長度為16的字符串放進CX

11行:AH=13h,int 10h啟用視頻中斷13H號功能 , AL=01代表寫完字符串之後,更新光標位置

12行:BH=0H,頁號(視頻緩衝區是分頁的...恩...這我也不懂XD) , BL=0CH代表字符顯示屬性

13行:DH和DL寫字符串的光標位置,DH=行號,DL=列號 (不知道為啥DX就是寫字符串的暫存器...是定義就這樣子嗎?? 哎...要查查= =)

14行:啟用10h號中斷

15行:跟return一樣的道理...

16行:把BootMessage定義為Hello的字串,就如同#define一樣XD

17行:$是當前地址，$$是首地址，也就是說,從這樣開始一直到510處,全用0填充


18行:這滿重要的,其中的511和512地址是專門用來判斷是否為一個Boot Sector,0xAA55就是Boot Sector一個結束標誌

IA-32

書上一直提到IA32架構 , 心裡一直很納悶IA32是什麼東西...

去網卡search一下 , 發現有篇文早說的還不錯 , 也提到Protected mode(保護模式) 和 Real-Address mode (真實模式) , 特別轉來紀錄一下

建立Bochs環境

最近心血來潮,加上公司沒什麼案子可以作....就想來好好瞭解一下如何實現作業系統

到誠品買了一本"Orang's 一個作業系統的實現"的書,好好的跟著書本上做了一些練習

首先先要來搭建Bochs的環境,它也是一個虛擬機,但跟一般的VMware和VirtualBox有所不同

詳細Bochs的介紹,可以到它的官網上看,而且裡面還有安裝說明 :

Bochs官網

下載最新版的bochs 2.4.5

解壓縮完之後,在configure之前,請先安裝如下的元件,以保證configure和make能順利通過.

#sudo apt-get install libc6-dev  build-essential xorg-dev libgtk2.0-dev

安裝之後,就可以來configure了,這樣才能產生Makefile

#./configure --enable-debugger --enable-disasm

後面的參數是為了能使用測試功能,不然bochs通常一出現視窗運行會沒辦法輸入指令

#make

為了確保和書上的路徑一致,所以我到Mafile裡面更改安裝路徑 :

#prefix          = /usr/local
prefix          = /usr

更改完之後,就可以安裝bochs的binary

#sudo make install

其中可能會出現 install: 無法 stat 「./bochsdbg」: 沒有此一檔案或目錄 的訊息,把bochs複製更名即可

#cp bochs bochsdbg
參照書上的做法,寫一段程式碼來引導作業系統啟動並加上"Hello World"字樣(後面我再來細細的看這段程式...沒學過彙編語言呀>"<)

緊接著用NASM來編譯它,如果沒有NASM,可以利用apt-get來安裝(我是用source code來安裝...但基本上沒差別...)

#sudo apt-get install nasm

#nasm boot.asm -o boot.bin

編譯好了之後,接下來就要利用bximage來製作虛擬軟碟(也叫磁片映射)

#bximage

========================================================================

                                bximage

                  Disk Image Creation Tool for Bochs

        $Id: bximage.c,v 1.34 2009/04/14 09:45:22 sshwarts Exp $

========================================================================

Do you want to create a floppy disk image or a hard disk image?

Please type hd or fd. [hd] fd

Choose the size of floppy disk image to create, in megabytes.

Please type 0.16, 0.18, 0.32, 0.36, 0.72, 1.2, 1.44, 1.68, 1.72, or 2.88.

 [1.44]    <---直接按Enter

I will create a floppy image with

  cyl=80

  heads=2

  sectors per track=18

  total sectors=2880

  total bytes=1474560

What should I name the image?

[a.img]   <-----同上

Writing: [] Done.

I wrote 1474560 bytes to a.img.

The following line should appear in your bochsrc:

  floppya: image="a.img", status=inserted

現在可以在bochs目錄下看到a.img了 ! 不過先把boot.bin拷貝進來,要把開機磁區寫進軟碟裡 

#cp boot.bin bochs-2.4.5/

#dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc

conv=notrunc代表磁區不要被系統給truncated,因為boot.bin比a.img還小,其實真正的軟碟是不會被truncated,現在是因為運行在bochs這台virtual machine所以才需要加入這個參數.

在真正開始Run bochs之前,要先對bochs配置一下,官方有非常詳細的說明,而bochs預設是會吃目錄下的.bochsrc , 不過先按照書上對它做個簡短的配置

Note : 在自行寫配置時, 一定要先參考.bochs預設的文件, 因為每個Bochs版本的配置寫法會有所修改.

OK,萬事俱備,馬上運行bochs來看看結果 !

#sudo bochs -f bochsrc

-f的參數後面是要接你自身配置的bochs,打-help可以看到其它命令,運行結果如下 :

會看到很多log...如果不想被這些log干擾,可以去配置bochsrc讓它輸出到一個文件就好.

剛開始我非常納悶,為何他媽的bochsrc就給我停在這,跟書本顯示不一樣,我一直以為是我的display沒有配好,所以我不斷的看官方文件,重配,重起,然後再看.......就這樣我卡了4個小時= =

最後受不了了,把最後顯示的指令往google上一貼 ! 還真他媽的讓我找到答案了 ....

原來...因為是測試模式,所以bochs一運行,會停在第一個指令等待用戶輸入命令...Fuck !!

(0) [0xfffffff0] f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b         ; ea5be000f0 <------ bochs 停在第 1 條指令處

也就是說,當使用調試運行時,bochs 會停在第 1 條指令, jmp far f000:e05b 是 bios 的第 1 條指令,然後等待用戶輸入命令.....

可能作者沒想到有更白痴的人會不瞭解...所以書上也沒解釋...T_T

然後我查了一下bochs底下的指令...結果順利完成第一個任務~~~感動的Hello World !!