嵌入式操作系统
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2.2.5 操作系统核心功能的初始化

在MINIKER.BIN模块初始化完成之后，通过一条跳转指令，直接跳转到MASTER.BIN开始处继续执行。需要注意的是，MASTER.BIN是采用Windows操作系统下的C++编译器编译的，编译结果为PE文件格式。这种文件格式的最开始部分，是一个PE文件头，并不是可执行的二进制代码。因此，我们通过一个特殊的工具（也是采用C语言编写的PE文件处理工具），把PE文件的开头部分采用可执行的指令替换，并从PE头中，提取出文件的入口地址，然后采用一条跳转指令，跳转到入口处执行。下面是MASTER.BIN文件的开始部分（MASTER.BIN文件已经经过处理，下面是对MASTER.BIN进行反汇编所得结果的开头部分）。

00000000  90              nop
00000001  90              nop
00000002  90              nop
00000003  E9E8500000       jmp 0x50f0
00000008  0400            add al,0x0
0000000A  0000            add [eax],al
0000000C  FF              db 0xFF
0000000D  FF00            inc dword [eax]
0000000F  00B800000000     add [eax+0x0],bh

上述代码中，关键的一条JMP指令，跳转到了MASTER.BIN的入口处。

下面是MASTER.BIN入口函数的实现代码，为了便于阅读，我们分段解释。

void __init()
{
    __KERNEL_THREAD_OBJECT＊      lpIdleThread   =NULL;
    __KERNEL_THREAD_OBJECT＊      lpShellThread  =NULL;
    __KERNEL_THREAD_OBJECT＊      lpKeeperThread =NULL;
    DWORD                      dwKThreadID   =0;
    DisableInterrupt();   //The following code is executed in
                          //no-interruptable envrionment.

DisableInterrupt函数禁止了外部可屏蔽中断。实际上，在MINIKER.BIN的初始化过程中，已经禁止了中断，在此又重新做一个禁止中断操作，是为了编码上的统一。因为在该函数的尾部，会调用EnableInterrupt函数启用中断。

ClearScreen();        //Print out welcome message.
PrintStr(pszStartMsg1);
PrintStr(pszStartMsg2);
ChangeLine();
GotoHome();

上述几个函数做了一个清屏操作，然后打印出了两行提示信息，以指示用户目前系统引导状态。

g_keyHandler=SetKeyHandler(_KeyHandler);  //Set key board handler.

SetKeyHandler函数用于设置键盘中断处理程序。在Hello China目前版本的实现中，对于键盘驱动程序，是在MINIKER.BIN模块里实现的，这样用户的按键消息最初会被MINIKER.BIN模块捕获。为了把按键消息传递给MASTER.BIN模块，设计了一个回调机制，即在MASTER.BIN中实现一个处理函数（该函数就是_KeyHandler），把该函数的地址，传递给MINIKER.BIN模块中的一个变量（该变量位于MINIKER.BIN末尾的特定位置），这样一旦发生键盘中断事件，MINIKER.BIN模块就以适当的参数调用该函数，MASTER.BIN就可以接收到这个按键事件，从而做进一步处理。

＊(__PDE＊)PD_START=NULL_PDE;

上述代码用于完成页索引对象的初始化工作，详细信息，请参考第5章。

    #ifdef  __ENABLE_VIRTUAL_MEMORY     //Should  enable  virtual  memory
model.
    lpVirtualMemoryMgr=(__VIRTUAL_MEMORY_MANAGER＊)ObjectManager.
CreateObject(&ObjectManager, NULL, OBJECT_TYPE_VIRTUAL_MEMORY_MANAGER);
                              //Create virtual memory manager object.
    if(NULL==lpVirtualMemoryMgr)   //Failed to create this object.
        goto __TERMINAL;
    if(!lpVirtualMemoryMgr->Initialize((__COMMON_OBJECT＊)lpVirtualM
                                  emoryMgr))
        goto __TERMINAL;
    #endif

上述代码创建针对整个系统的虚拟内存管理器，并对之进行初始化。在Hello China的实现中，为了对虚拟内存进行管理，实现了一个虚拟内存管理器（Virtual Memory Manager）的对象，用于对系统或单个进程的地址空间进行管理。目前，尚没有实现进程机制，因此整个系统只有一个虚拟内存管理器。但在未来的实现中，可能会引入进程模型，这样系统中就可能存在多个虚拟内存管理器对象（每进程一个），因此，没有把虚拟内存管理器对象作为全局对象实现，而是作为一个核心对象来实现，尽管目前情况下，整个系统只有一个虚拟内存管理器对象。另外需要注意的是，虚拟内存功能（在IA32构架CPU的实现中，表现为分页机制）是一个可选择的实现模块，通过预先定义的一个宏__ENABLE_VIRTUAL_MEMORY来控制。若在代码中定义了该宏，在编译操作系统核心的时候，虚拟内存管理功能就会被包含，若没有定义该宏，则不会包含虚拟内存管理功能。

if(!KernelThreadManager.Initialize((__COMMON_OBJECT＊)&KernelThread Manager))
    goto __TERMINAL;
if(!System.Initialize((__COMMON_OBJECT＊)&System))
    goto __TERMINAL;
if(!PageFrameManager.Initialize((__COMMON_OBJECT＊)&PageFrameManager,
    (LPVOID)0x02000000,
    (LPVOID)0x09FFFFFF))
    goto __TERMINAL;
if(!IOManager.Initialize((__COMMON_OBJECT＊)&IOManager))
    goto __TERMINAL;
if(!DeviceManager.Initialize(&DeviceManager))
    goto __TERMINAL;
lpIdleThread=KernelThreadManager.CreateKernelThread(
                                      //Create system idle thread.
    (__COMMON_OBJECT＊)&KernelThreadManager,
    0L,
    KERNEL_THREAD_STATUS_READY,
    PRIORITY_LEVEL_LOWEST,
                                      //Lowest priority level.
    SystemIdle,
    (LPVOID)(&dwIdleCounter),
    NULL);
if(NULL==lpIdleThread)
{
    //PrintLine("Can not create idle kernel thread,please restart the
              system.");
    __ERROR_HANDLER(ERROR_LEVEL_FATAL,0L,NULL);
    goto __TERMINAL;
}
lpShellThread=KernelThreadManager.CreateKernelThread(
                                      //Create shell thread.
    (__COMMON_OBJECT＊)&KernelThreadManager,
    0L,
    KERNEL_THREAD_STATUS_READY,
    PRIORITY_LEVEL_NORMAL,
    SystemShell,
    NULL,
    NULL);
if(NULL==lpShellThread)
{
    //PrintLine("Can not create system shell thread,please restart the
system.");
    __ERROR_HANDLER(ERROR_LEVEL_FATAL,0L,NULL);
    goto __TERMINAL;
}
g_lpShellThread=lpShellThread;
                                    //Initialize the shell thread
                                  global variable.
if(!DeviceInputManager.Initialize((__COMMON_OBJECT＊)&DeviceInputManager,
                              NULL,
                              (__COMMON_OBJECT＊)lpShellThread))
                                //Initialize the DeviceInput
                                  Manager object.
{
    __ERROR_HANDLER(ERROR_LEVEL_FATAL,0L,NULL);
    goto __TERMINAL;
}

上述代码完成了下列两项初始化功能。

（1）创建了空闲线程（Idle Thread）和用户交互线程（Shell Thread）。空闲线程在CPU空闲的时候被调度，用户线程用于完成用户界面功能。其中，Idle线程必须被创建，以完成CPU空闲时的处理，而Shell线程则根据需要创建。在基于PC环境的Hello China中，Shell用于完成用户输入/输出功能，若移植Hello China到其他硬件环境，Shell线程则可根据需要决定是否创建。

（2）完成全局对象的初始化。所谓全局对象，就是整个系统运行环境只存在一个的对象，这个对象一般用于对整个系统中特定部分资源的统一管理。任何一个全局对象初始化失败，都将会导致系统停止启动，进入死循环。表2-4列举了上述初始化的全局对象，以及这些对象的功能。

表2-4 核心设备管理对象

这些对象的详细功能以及其实现方式等，将会在后面章节进行详细介绍，这也是本书的重点内容。需要注意的是，DeviceInputManager对象是在Shell线程创建之后才初始化的，因为该对象的初始化函数需要有一个具体的线程作为当前焦点线程（也可以不指定焦点线程），这样后续的任何主动输入（键盘、鼠标等用户交互设备的输入），都可以被定向到当前焦点线程。在当前的实现中，Shell线程被作为当前焦点线程，即任何用户输入，首先被Shell感知，然后由Shell做进一步处理，这符合Shell线程的功能。当然，可以根据需要，采用其他线程来替代Shell线程，以作为当前焦点线程。比如，可以把Hello China移植到一个手持设备上，这样需要实现一个交互式的图形界面。这时候，可以把这个交互式的界面，以一个线程的形式实现，并把该线程作为当前焦点线程，任何输入，都可以定向到该线程，从而完成用户和设备的交互。

#ifdef __ENABLE_VIRTUAL_MEMORY
    //
    //Now,we enable the page mechanism.
    //
    __asm{
        push eax
        mov eax,PD_START
        mov cr3,eax
        mov eax,cr0
        or eax,0x80000000
        mov cr0,eax
        pop eax
    }
#endif

上述代码完成了IA32 CPU环境下，分页机制的使能。在此之前，所有对内存的访问都是把线性地址直接映射到物理地址的，在使能分页机制之后，对内存的访问将经过分页机制的映射。在当前的实现中，把线性地址空间的前20MB依然映射到物理内存的前20MB，这样可实现分页机制对操作系统代码的透明程度。当然，分页机制是否使能，是可以通过定义宏__ENABLE_VIRTUAL_MEMORY来进行控制的。

SetTimerHandler(GeneralIntHandler);

上述代码用于连接通用中断处理程序和中断。在当前的实现中，对所有的中断处理，都是采用同一个函数GeneralIntHandler作为入口的，然后通过GeneralIntHandler再调用System对象的相应函数，完成中断的进一步分发。在Hello China的当前实现中，GeneralIntHandler是在MASTER.BIN模块中实现的，而所有的中断描述表（IDT），则是定义在MINIKER.BIN中的。SetTimerHandler函数完成连接GeneralIntHandler和MINIKER.BIN模块中的中断处理程序的功能。从名字上看，该函数似乎是完成时钟中断的连接的，这是由于历史原因造成的，目前情况下，SetTimerHandler可以完成任何中断和通用中断处理程序的连接。对于中断的详细信息，请参考第8章。

    StrCpy("[system-view]",&HostName[0]);
    EnableInterrupt();
    DeadLoop();
    //The following code will never be executed if corrected.
__TERMINAL:
    ChangeLine();
    GotoHome();
    //PrintStr("STOP : An error occured,please power off your computer
and restart it.");
    __ERROR_HANDLER(ERROR_LEVEL_FATAL,0L,"Initializing      process
failed!");
    DeadLoop();
}

上述代码打印出提示符（机器名），并启用中断，然后进入一个死循环。这个死循环的作用，是为了等待一个时钟中断发生后，开始正式调用线程。实际上，系统初始化过程的代码，包括REALINIT.BIN、MINIKER.BIN等模块，不属于任何线程，或者可以看作是一个初始化线程，系统一旦初始化完毕，这个初始化线程就算运行完毕，这时候，如果不进入一个死循环，则__init函数返回后，可能会导致CPU进入一个不确定的状态，从而导致系统崩溃。需要注意的是，这个死循环，并不会真正导致系统死循环，一旦时钟中断发生，线程调度程序会选择一个状态为“就绪”的线程（Idel或Shell），重新投入运行，这样初始化线程就算正式结束了。

最后部分的代码是出错处理部分。在初始化过程中，遇到任何一个错误都可能导致初始化失败，__init函数跳转到__TERMINAL标号处，打印出一个出错信息，然后进入死循环。这时候必须采用关闭电源的方式，对计算机进行重新引导。

到此为止，Hello China的启动就算完成了，这之后，Shell线程将得到调度，从而完成用户和计算机之间的交互。

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