文件系统磁盘创建
创建磁盘
进入bochs安装目录，输入以下命令
./bin/bximage然后按照以下步骤创建硬盘
修改硬盘配置
vim boot.disk添加以下代码行
ata0-slave: type=disk, path="hd80M.img", mode=flat,cylinders=162,heads=16,spt=63完整配置如下
# 设置 Bochs 在运行过程中能够使用的内存，本例为 32MB
megs: 32
# 设置对应真实机器的 BIOS 和 VGA BIOS
romimage: file=/home/minios/bochs/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/home/minios/bochs/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest
# 设置 Bochs 使用的磁盘
# floppya: 1_44=a.img, status=inserted
# 选择启动盘符
# boot: flopy # 默认从软盘启动
boot: disk # 从硬盘启动，我们的任何代码都将直接写在硬盘上，所以不会再有读写软盘的操作。
# 设置日志文件输出
log: bochs.out
# 关闭鼠标，打开键盘，按照书上写会报错
mouse: enabled=0
#keyboard: enabled=1,
keyboard: keymap=/home/minios/bochs/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map
# 硬盘设置
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14
#新加入的代码,虚拟硬盘配置,ata0-master表示0号通道主盘
ata0-master: type=disk, path="hd60M.img", mode=flat,cylinders=121,heads=16,spt=63
#从盘硬盘配置，ata0-slave表示0号通道从盘
ata0-slave: type=disk, path="hd80M.img", mode=flat,cylinders=162,heads=16,spt=63
# 增加 Bochs 对 GDB 的支持，GDB 远程连接到此机器的 1234 端口便可调试
#gdbstub: enabled=1, port=1234, test_base=0, data_base=0, bss_base=0
磁盘分区
磁盘的基本结构
CHS 是硬盘分区和寻址的一种方式，全称是 Cylinder-Head-Sector，即 柱面-磁头-扇区。它是硬盘寻址的早期方式，用于标识硬盘上的数据存储位置。通过 CHS，硬盘的每个数据位置都由三个参数指定：
Cylinder（柱面）：
- 也称为 磁道，表示硬盘盘片上的一圈数据存储区域。
- 硬盘的每个盘面上都有许多圆形的磁道，所有盘面上的同一位置的磁道构成了一个柱面。
- 每个柱面上的数据存储区域都是相同的。
Head（磁头）：
- 磁头是硬盘的读写头，用来读取或写入数据。
- 每个硬盘都有多个磁头，通常对应硬盘上的每个盘面。一个硬盘可能有多个盘片，每个盘片上有一个磁头（通常是上下各一个磁头，表示两面都可以读取数据）。
Sector（扇区）：
- 扇区是硬盘的最小数据存储单位，通常大小为 512 字节或 4KB。
- 硬盘上的每个磁道被分为若干个扇区。每个扇区存储一定量的数据，通常是 512 字节（在现代硬盘中，有些硬盘采用更大的扇区，如 4KB 扇区）。
总结：
- C：柱面数（Cylinder count）—— 硬盘上的磁道数量。
- H：磁头数（Head count）—— 硬盘上的磁头数量。通常硬盘有 16 个盘面，每个盘面上有一个磁头。
- S：每个磁道的扇区数（Sectors per track）—— 每个磁道上存储的扇区数。
MBR分区结构
- MBR分区分为主分区、扩展分区、逻辑分区
- 一块硬盘最多只能创建4个主分区
- 一个扩展分区会占用一个主分区的位置
- 逻辑分区是基于扩展分区创建出来的，先有扩展分区，然后在扩展分区的基础上再创建逻辑分区
- 分区是由扇区组成的
创建分区
fdisk ./hd80M.img帮助文档菜单
创建主分区
创建扩展分区
在扩展分区上创建逻辑分区
查看创建的分区
Command (m for help): p
Disk ./hd80M.img: 79.8 MiB, 83607552 bytes, 163296 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xb865d4d6
Device Boot Start End Sectors Size Id Type
./hd80M.img1 2048 33263 31216 15.2M 83 Linux
./hd80M.img4 33264 163295 130032 63.5M 5 Extended
./hd80M.img5 35312 51407 16096 7.9M 83 Linux
./hd80M.img6 53456 76607 23152 11.3M 83 Linux
./hd80M.img7 78656 91727 13072 6.4M 83 Linux
./hd80M.img8 93776 121967 28192 13.8M 83 Linux
./hd80M.img9 124016 163295 39280 19.2M 83 Linux
修改逻辑分区的id号，以区别主分区
重新查看创建好的分区
Command (m for help): p
Disk ./hd80M.img: 79.8 MiB, 83607552 bytes, 163296 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xb865d4d6
Device Boot Start End Sectors Size Id Type
./hd80M.img1 2048 33263 31216 15.2M 83 Linux
./hd80M.img4 33264 163295 130032 63.5M 5 Extended
./hd80M.img5 35312 51407 16096 7.9M 66 unknown
./hd80M.img6 53456 76607 23152 11.3M 66 unknown
./hd80M.img7 78656 91727 13072 6.4M 66 unknown
./hd80M.img8 93776 121967 28192 13.8M 66 unknown
./hd80M.img9 124016 163295 39280 19.2M 66 unknown
确认写入创建的分区，注意只有写入之后创建的分区才会创建成功
Command (m for help): w
The partition table has been altered.
Syncing disks.
再次确认分区是否创建成功
fdisk -l ./hd80M.imgDisk ./hd80M.img: 79.8 MiB, 83607552 bytes, 163296 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xb865d4d6
Device Boot Start End Sectors Size Id Type
./hd80M.img1 2048 33263 31216 15.2M 83 Linux
./hd80M.img4 33264 163295 130032 63.5M 5 Extended
./hd80M.img5 35312 51407 16096 7.9M 66 unknown
./hd80M.img6 53456 76607 23152 11.3M 66 unknown
./hd80M.img7 78656 91727 13072 6.4M 66 unknown
./hd80M.img8 93776 121967 28192 13.8M 66 unknown
./hd80M.img9 124016 163295 39280 19.2M 66 unknown
磁盘初始化
通道、磁盘、分区的关系
- 通道相当于数据线，需要和机器的接口连接之后机器才能访问磁盘设备
- 一个接口有两个通道，每个通道有磁盘，分别是主盘和磁盘，磁盘由分区构成
打开硬盘控制器的中断
如图所示，也就是打开引脚IRQ14和IRQ15（第2个 ata 通道接在 8259A从片的IRQ15 上,该 ata 通道上可支持两个硬盘）
另外，来自8259A从片的中断是由8259A主片帮忙向处理器传达的,8259A从片是级联在8259A主片的IRO2接口的，因此为了让处理器也响应来自8259A从片的中断，屏蔽中断寄存器必须也把IRO2打开。
/kernel/interrupt.c
/* 初始化可编程中断控制器8259A */
static void pic_init(void)
{
/* 初始化主片 */
outb(PIC_M_CTRL, 0x11); // ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.
outb(PIC_M_DATA, 0x20); // ICW2: 起始中断向量号为0x20,也就是IR[0-7] 为 0x20 ~ 0x27.
outb(PIC_M_DATA, 0x04); // ICW3: IR2接从片.
outb(PIC_M_DATA, 0x01); // ICW4: 8086模式, 正常EOI
/* 初始化从片 */
outb(PIC_S_CTRL, 0x11); // ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.
outb(PIC_S_DATA, 0x28); // ICW2: 起始中断向量号为0x28,也就是IR[8-15] 为 0x28 ~ 0x2F.
outb(PIC_S_DATA, 0x02); // ICW3: 设置从片连接到主片的IR2引脚
outb(PIC_S_DATA, 0x01); // ICW4: 8086模式, 正常EOI
/* 打开主片上IR0,也就是目前只接受时钟产生的中断 */
// outb (PIC_M_DATA, 0xfe);
// outb (PIC_S_DATA, 0xff);
/* 测试键盘,只打开键盘中断，其它全部关闭 */
// outb (PIC_M_DATA, 0xfd); //键盘中断在主片ir1引脚上，所以将这个引脚置0，就打开了
// outb (PIC_S_DATA, 0xff);
// 同时打开时钟中断与键盘中断
// outb(PIC_M_DATA, 0xfc);
// outb(PIC_S_DATA, 0xff);
// IRQ2用于级联从片,必须打开,否则无法响应从片上的中断主片上打开的中断有IRQ0的时钟,IRQ1的键盘和级联从片的IRQ2,其它全部关闭
outb(PIC_M_DATA, 0xf8);
// 打开从片上的IRQ14,此引脚接收硬盘控制器的中断
outb(PIC_S_DATA, 0xbf);
put_str(" pic_init done\n");
}初始化数据结构
为了在c语言下管理硬盘，需要初始化对应硬盘的数据结构
/device/ide.h
分区结构
/* 分区结构 */
struct partition
{
uint32_t start_lba; // 起始扇区
uint32_t sec_cnt; // 扇区数
struct disk *my_disk; // 分区所属的硬盘
struct list_elem part_tag; // 用于队列中的标记，用于将分区形成链表进行管理
char name[8]; // 分区名称
struct super_block *sb; // 本分区的超级块
struct bitmap block_bitmap; // 块位图
struct bitmap inode_bitmap; // i结点位图
struct list open_inodes; // 本分区打开的i结点队列
};硬盘结构
/*硬盘结构*/
struct disk
{
// 磁盘名称
char name[8];
// 表示主盘还是从盘
uint8_t dev_no;
// 本磁盘所在的通道
struct ide_channel *my_channel;
// 磁盘的主分区，最多四个
struct partition prim_parts[4];
// 磁盘的逻辑分区，理论上数量无限，我们这里设定8个
struct partition logic_parts[8];
};ata通道结构
/* ata通道结构 */
struct ide_channel
{
// ata通道名称
char name[8];
// 本通道的起始端口号（书p126）
uint16_t port_base;
// 本通道所用的中断号
uint8_t irq_no;
// ata通道有两个，这两个通道共用一个接口，故而每次访问都需要互斥进行
struct lock lock;
// 等待硬盘的中断
bool expecting_intr;
// 用于阻塞、唤醒驱动程序
struct semaphore disk_done;
// 一个通道上连接两个硬盘，一主一从
struct disk devices[2];
};初始化
必要的数据定义
/* 定义硬盘各寄存器的端口号，见书p126 */
#define reg_data(channel) (channel->port_base + 0)
#define reg_error(channel) (channel->port_base + 1)
#define reg_sect_cnt(channel) (channel->port_base + 2)
#define reg_lba_l(channel) (channel->port_base + 3)
#define reg_lba_m(channel) (channel->port_base + 4)
#define reg_lba_h(channel) (channel->port_base + 5)
#define reg_dev(channel) (channel->port_base + 6)
#define reg_status(channel) (channel->port_base + 7)
#define reg_cmd(channel) (reg_status(channel))
#define reg_alt_status(channel) (channel->port_base + 0x206)
#define reg_ctl(channel) reg_alt_status(channel)
/* reg_alt_status寄存器的一些关键位，见书p128 */
#define BIT_STAT_BSY 0x80 // 硬盘忙
#define BIT_STAT_DRDY 0x40 // 设备准备好
#define BIT_STAT_DRQ 0x8 // 数据传输准备好了
/* device寄存器的一些关键位 */
#define BIT_DEV_MBS 0xa0 // 第7位和第5位固定为1
#define BIT_DEV_LBA 0x40 // 指定为LBA寻址方式
#define BIT_DEV_DEV 0x10 // 指定主盘或从盘，DEV位为1表示从盘，为0表示主盘
/* 一些硬盘操作的指令 */
#define CMD_IDENTIFY 0xec // identify指令
#define CMD_READ_SECTOR 0x20 // 读扇区指令
#define CMD_WRITE_SECTOR 0x30 // 写扇区指令
/* 定义可读写的最大扇区数,调试用的 */
#define max_lba ((80 * 1024 * 1024 / 512) - 1) // 只支持80MB硬盘
uint8_t channel_cnt; // 记录通道数
struct ide_channel channels[2]; // 有两个ide通道
初始化硬盘数据结构
/* 硬盘数据结构初始化 */
void ide_init()
{
printk("ide_init start\n");
uint8_t hd_cnt = *((uint8_t *)(0x475)); // 获取硬盘的数量
ASSERT(hd_cnt > 0);
list_init(&partition_list);
channel_cnt = DIV_ROUND_UP(hd_cnt, 2); // 一个ide通道上有两个硬盘,根据硬盘数量反推有几个ide通道
struct ide_channel *channel;
uint8_t channel_no = 0, dev_no = 0;
/* 处理每个通道上的硬盘 */
while (channel_no < channel_cnt)
{
channel = &channels[channel_no];
sprintf(channel->name, "ide%d", channel_no);
/* 为每个ide通道初始化端口基址及中断向量 */
switch (channel_no)
{
case 0:
channel->port_base = 0x1f0; // ide0通道的起始端口号是0x1f0
channel->irq_no = 0x20 + 14; // 从片8259a上倒数第二的中断引脚,温盘,也就是ide0通道的的中断向量号
break;
case 1:
channel->port_base = 0x170; // ide1通道的起始端口号是0x170
channel->irq_no = 0x20 + 15; // 从8259A上的最后一个中断引脚,我们用来响应ide1通道上的硬盘中断
break;
}
channel->expecting_intr = false; // 未向硬盘写入指令时不期待硬盘的中断
lock_init(&channel->lock);
/* 初始化为0,目的是向硬盘控制器请求数据后,硬盘驱动sema_down此信号量会阻塞线程,
直到硬盘完成后通过发中断,由中断处理程序将此信号量sema_up,唤醒线程. */
sema_init(&channel->disk_done, 0);
register_handler(channel->irq_no, intr_hd_handler);
/* 分别获取两个硬盘的参数及分区信息 */
while (dev_no < 2)
{
struct disk *hd = &channel->devices[dev_no];
hd->my_channel = channel;
hd->dev_no = dev_no;
sprintf(hd->name, "sd%c", 'a' + channel_no * 2 + dev_no);
identify_disk(hd); // 获取硬盘参数
if (dev_no != 0)
{ // 内核本身的裸硬盘(hd60M.img)不处理
partition_scan(hd, 0); // 扫描该硬盘上的分区
}
p_no = 0, l_no = 0;
dev_no++;
}
dev_no = 0; // 将硬盘驱动器号置0,为下一个channel的两个硬盘初始化。
channel_no++; // 下一个channel
}
printk("\n all partition info\n");
/* 打印所有分区信息 */
list_traversal(&partition_list, partition_info, (int)NULL);
printk("ide_init done\n");
}
添加进初始化代码中
/kernel/init.c
#include "init.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "timer.h"
#include "memory.h"
#include "thread.h"
#include "console.h"
#include "keyboard.h"
#include "tss.h"
#include "syscall-init.h"
#include "ide.h"
/*负责初始化所有模块 */
void init_all()
{
put_str("init_all\n");
idt_init(); // 初始化中断
mem_init(); // 初始化内存管理系统
thread_init(); // 初始化线程相关结构
timer_init(); // 初始化PIT
console_init(); // 控制台初始化最好放在开中断之前
keyboard_init(); // 键盘初始化
tss_init(); // tss初始化
syscall_init(); // 初始化系统调用
ide_init(); // 初始化硬盘
}
实现 thread yield 和 idle 线程
idle主要用于在系统没有其他可运行任务时执行，占用 CPU 资源，防止 CPU 处于空闲状态而浪费掉能量
/thread/thread.c
/*系统空闲时运行的线程*/
static void idle(void *arg UNUSED)
{
while (1)
{
thread_block(TASK_BLOCKED);
/*
执行hlt时必须要保证目前处在开中断的情况下
sti：开中断指令
hlt：悬停cpu，降低机器cpu功耗消耗
*/
asm volatile("sti;hlt" ::: "memory");
}
}
初始化idle线程
/* 初始化线程环境 */
void thread_init(void)
{
put_str("thread_init start\n");
list_init(&thread_ready_list);
list_init(&thread_all_list);
lock_init(&pid_lock);
/* 将当前main函数创建为线程 */
make_main_thread();
/*创建idle线程*/
idle_thread = thread_start("idle", 10, idle, NULL);
put_str("thread_init done\n");
}
在任务调度函数中添加
/* 如果就绪队列中没有可运行的任务,就唤醒idle */
if (list_empty(&thread_ready_list))
thread_unblock(idle_thread);完整调度函数如下
/* 实现任务调度 */
void schedule()
{
ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);
struct task_struct *cur = running_thread();
if (cur->status == TASK_RUNNING)
{ // 若此线程只是cpu时间片到了,将其加入到就绪队列尾
ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));
list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);
cur->ticks = cur->priority; // 重新将当前线程的ticks再重置为其priority;
cur->status = TASK_READY;
}
else
{
/* 若此线程需要某事件发生后才能继续上cpu运行,
不需要将其加入队列,因为当前线程不在就绪队列中。*/
}
/* 如果就绪队列中没有可运行的任务,就唤醒idle */
if (list_empty(&thread_ready_list))
thread_unblock(idle_thread);
ASSERT(!list_empty(&thread_ready_list));
thread_tag = NULL; // thread_tag清空
/* 将thread_ready_list队列中的第一个就绪线程弹出,准备将其调度上cpu. */
thread_tag = list_pop(&thread_ready_list);
struct task_struct *next = elem2entry(struct task_struct, general_tag, thread_tag);
next->status = TASK_RUNNING;
// 激活任务页表,同时更新TSS中的esp0的值，让它指向线程/进程的0级栈
process_activate(next);
switch_to(cur, next);
}可以看到idle的作用主要就是防止cpu空转，从而消耗cpu资源
实现简单的休眠函数
硬盘和 CPU 是相互独立的个体，它们各自并行执行，但由于硬盘是低速设备，其在处理请求时往往消耗很长的时间，为避免浪费 CPU资源，在等待硬盘操作的过程中最好把 CPU主动让出来,让CPU去执行其他任务,为实现这种“明智”的行为,我们在 timer.c中定义休眠函数
首先是 thread_yield的实现
/thread/thread.c
/* 主动让出cpu,换其它线程运行 */
void thread_yield(void)
{
struct task_struct *cur = running_thread();
enum intr_status old_status = intr_disable();
ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));
list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);
cur->status = TASK_READY;
schedule();
intr_set_status(old_status);
}然后在此基础上实现简单的休眠函数
/device/timer.c
#define IRQ0_FREQUENCY 100 // 中断发生频率，100HZ，即每秒发生中断的次数
#define mil_seconds_per_intr (1000 / IRQ0_FREQUENCY)
/* 以tick为单位的sleep,任何时间形式的sleep会转换此ticks形式 */
static void ticks_to_sleep(uint32_t sleep_ticks)
{
uint32_t start_tick = ticks;
/* 若间隔的ticks数不够便让出cpu */
while (ticks - start_tick < sleep_ticks)
{
thread_yield();
}
}
/* 以毫秒为单位的sleep 1秒= 1000毫秒 */
void mtime_sleep(uint32_t m_seconds)
{
uint32_t sleep_ticks = DIV_ROUND_UP(m_seconds, mil_seconds_per_intr);
ASSERT(sleep_ticks > 0);
ticks_to_sleep(sleep_ticks);
}
实现硬盘驱动程序
接下来我们正式实现硬盘驱动程序
/device/ide.c
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "ide.h"
#include "debug.h"
#include "sync.h"
#include "stdio.h"
#include "stdio-kernel.h"
#include "interrupt.h"
#include "memory.h"
#include "debug.h"
#include "io.h"
#include "timer.h"
#include "string.h"
/* 定义硬盘各寄存器的端口号，见书p126 */
#define reg_data(channel) (channel->port_base + 0)
#define reg_error(channel) (channel->port_base + 1)
#define reg_sect_cnt(channel) (channel->port_base + 2)
#define reg_lba_l(channel) (channel->port_base + 3)
#define reg_lba_m(channel) (channel->port_base + 4)
#define reg_lba_h(channel) (channel->port_base + 5)
#define reg_dev(channel) (channel->port_base + 6)
#define reg_status(channel) (channel->port_base + 7)
#define reg_cmd(channel) (reg_status(channel))
#define reg_alt_status(channel) (channel->port_base + 0x206)
#define reg_ctl(channel) reg_alt_status(channel)
/* reg_alt_status寄存器的一些关键位，见书p128 */
#define BIT_STAT_BSY 0x80 // 硬盘忙
#define BIT_STAT_DRDY 0x40 // 设备准备好
#define BIT_STAT_DRQ 0x8 // 数据传输准备好了
/* device寄存器的一些关键位 */
#define BIT_DEV_MBS 0xa0 // 第7位和第5位固定为1
#define BIT_DEV_LBA 0x40 // 指定为LBA寻址方式
#define BIT_DEV_DEV 0x10 // 指定主盘或从盘，DEV位为1表示从盘，为0表示主盘
/* 一些硬盘操作的指令 */
#define CMD_IDENTIFY 0xec // identify指令
#define CMD_READ_SECTOR 0x20 // 读扇区指令
#define CMD_WRITE_SECTOR 0x30 // 写扇区指令
/* 定义可读写的最大扇区数,调试用的 */
#define max_lba ((80 * 1024 * 1024 / 512) - 1) // 只支持80MB硬盘
uint8_t channel_cnt; // 记录通道数
struct ide_channel channels[2]; // 有两个ide通道
/* 选择读写的硬盘 */
static void select_disk(struct disk *hd)
{
uint8_t reg_device = BIT_DEV_MBS | BIT_DEV_LBA;
if (hd->dev_no == 1)
{ // 若是从盘就置DEV位为1
reg_device |= BIT_DEV_DEV;
}
outb(reg_dev(hd->my_channel), reg_device);
}
/* 向硬盘控制器写入起始扇区地址及要读写的扇区数 */
static void select_sector(struct disk *hd, uint32_t lba, uint8_t sec_cnt)
{
ASSERT(lba <= max_lba);
struct ide_channel *channel = hd->my_channel;
/* 写入要读写的扇区数*/
outb(reg_sect_cnt(channel), sec_cnt); // 如果sec_cnt为0,则表示写入256个扇区
/* 写入lba地址(即扇区号) */
outb(reg_lba_l(channel), lba); // lba地址的低8位,不用单独取出低8位.outb函数中的汇编指令outb %b0, %w1会只用al。
outb(reg_lba_m(channel), lba >> 8); // lba地址的8~15位
outb(reg_lba_h(channel), lba >> 16); // lba地址的16~23位
/* 因为lba地址的24~27位要存储在device寄存器的0～3位,
* 无法单独写入这4位,所以在此处把device寄存器再重新写入一次*/
outb(reg_dev(channel), BIT_DEV_MBS | BIT_DEV_LBA | (hd->dev_no == 1 ? BIT_DEV_DEV : 0) | lba >> 24);
}
/* 向通道channel发命令cmd */
static void cmd_out(struct ide_channel *channel, uint8_t cmd)
{
/* 只要向硬盘发出了命令便将此标记置为true,硬盘中断处理程序需要根据它来判断 */
channel->expecting_intr = true;
outb(reg_cmd(channel), cmd);
}
/* 硬盘读入sec_cnt个扇区的数据到buf */
static void read_from_sector(struct disk *hd, void *buf, uint8_t sec_cnt)
{
uint32_t size_in_byte;
if (sec_cnt == 0)
{
/* 因为sec_cnt是8位变量,由主调函数将其赋值时,若为256则会将最高位的1丢掉变为0 */
size_in_byte = 256 * 512;
}
else
{
size_in_byte = sec_cnt * 512;
}
insw(reg_data(hd->my_channel), buf, size_in_byte / 2);
}
/* 将buf中sec_cnt扇区的数据写入硬盘 */
static void write2sector(struct disk *hd, void *buf, uint8_t sec_cnt)
{
uint32_t size_in_byte;
if (sec_cnt == 0)
{
/* 因为sec_cnt是8位变量,由主调函数将其赋值时,若为256则会将最高位的1丢掉变为0 */
size_in_byte = 256 * 512;
}
else
{
size_in_byte = sec_cnt * 512;
}
outsw(reg_data(hd->my_channel), buf, size_in_byte / 2);
}
/* 等待30秒 */
static bool busy_wait(struct disk *hd)
{
struct ide_channel *channel = hd->my_channel;
uint16_t time_limit = 30 * 1000; // 可以等待30000毫秒
while (time_limit -= 10 >= 0)
{
if (!(inb(reg_status(channel)) & BIT_STAT_BSY))
{
return (inb(reg_status(channel)) & BIT_STAT_DRQ);
}
else
{
mtime_sleep(10); // 睡眠10毫秒
}
}
return false;
}
/* 从硬盘读取sec_cnt个扇区到buf */
void ide_read(struct disk *hd, uint32_t lba, void *buf, uint32_t sec_cnt)
{
ASSERT(lba <= max_lba);
ASSERT(sec_cnt > 0);
lock_acquire(&hd->my_channel->lock);
/* 1 先选择操作的硬盘 */
select_disk(hd);
uint32_t secs_op; // 每次操作的扇区数
uint32_t secs_done = 0; // 已完成的扇区数
while (secs_done < sec_cnt)
{
if ((secs_done + 256) <= sec_cnt)
{
secs_op = 256;
}
else
{
secs_op = sec_cnt - secs_done;
}
/* 2 写入待读入的扇区数和起始扇区号 */
select_sector(hd, lba + secs_done, secs_op);
/* 3 执行的命令写入reg_cmd寄存器 */
cmd_out(hd->my_channel, CMD_READ_SECTOR); // 准备开始读数据
/********************* 阻塞自己的时机 ***********************
在硬盘已经开始工作(开始在内部读数据或写数据)后才能阻塞自己,现在硬盘已经开始忙了,
将自己阻塞,等待硬盘完成读操作后通过中断处理程序唤醒自己*/
sema_down(&hd->my_channel->disk_done);
/*************************************************************/
/* 4 检测硬盘状态是否可读 */
/* 醒来后开始执行下面代码*/
if (!busy_wait(hd))
{ // 若失败
char error[64];
sprintf(error, "%s read sector %d failed!!!!!!\n", hd->name, lba);
PANIC(error);
}
/* 5 把数据从硬盘的缓冲区中读出 */
read_from_sector(hd, (void *)((uint32_t)buf + secs_done * 512), secs_op);
secs_done += secs_op;
}
lock_release(&hd->my_channel->lock);
}
/* 将buf中sec_cnt扇区数据写入硬盘 */
void ide_write(struct disk *hd, uint32_t lba, void *buf, uint32_t sec_cnt)
{
ASSERT(lba <= max_lba);
ASSERT(sec_cnt > 0);
lock_acquire(&hd->my_channel->lock);
/* 1 先选择操作的硬盘 */
select_disk(hd);
uint32_t secs_op; // 每次操作的扇区数
uint32_t secs_done = 0; // 已完成的扇区数
while (secs_done < sec_cnt)
{
if ((secs_done + 256) <= sec_cnt)
{
secs_op = 256;
}
else
{
secs_op = sec_cnt - secs_done;
}
/* 2 写入待写入的扇区数和起始扇区号 */
select_sector(hd, lba + secs_done, secs_op);
/* 3 执行的命令写入reg_cmd寄存器 */
cmd_out(hd->my_channel, CMD_WRITE_SECTOR); // 准备开始写数据
/* 4 检测硬盘状态是否可读 */
if (!busy_wait(hd))
{ // 若失败
char error[64];
sprintf(error, "%s write sector %d failed!!!!!!\n", hd->name, lba);
PANIC(error);
}
/* 5 将数据写入硬盘 */
write2sector(hd, (void *)((uint32_t)buf + secs_done * 512), secs_op);
/* 在硬盘响应期间阻塞自己 */
sema_down(&hd->my_channel->disk_done);
secs_done += secs_op;
}
/* 醒来后开始释放锁*/
lock_release(&hd->my_channel->lock);
}
/* 硬盘中断处理程序 */
void intr_hd_handler(uint8_t irq_no)
{
ASSERT(irq_no == 0x2e || irq_no == 0x2f);
uint8_t ch_no = irq_no - 0x2e;
struct ide_channel *channel = &channels[ch_no];
ASSERT(channel->irq_no == irq_no);
/* 不必担心此中断是否对应的是这一次的expecting_intr,
* 每次读写硬盘时会申请锁,从而保证了同步一致性 */
if (channel->expecting_intr)
{
channel->expecting_intr = false;
sema_up(&channel->disk_done);
/* 读取状态寄存器使硬盘控制器认为此次的中断已被处理,从而硬盘可以继续执行新的读写 */
inb(reg_status(channel));
}
}
/* 用于记录总扩展分区的起始lba,初始为0,partition_scan时以此为标记 */
int32_t ext_lba_base = 0;
uint8_t p_no = 0, l_no = 0; // 用来记录硬盘主分区和逻辑分区的下标
struct list partition_list; // 分区队列
/* 构建一个16字节大小的结构体,用来存分区表项 */
struct partition_table_entry
{
uint8_t bootable; // 是否可引导
uint8_t start_head; // 起始磁头号
uint8_t start_sec; // 起始扇区号
uint8_t start_chs; // 起始柱面号
uint8_t fs_type; // 分区类型
uint8_t end_head; // 结束磁头号
uint8_t end_sec; // 结束扇区号
uint8_t end_chs; // 结束柱面号
/* 更需要关注的是下面这两项 */
uint32_t start_lba; // 本分区起始扇区的lba地址
uint32_t sec_cnt; // 本分区的扇区数目
} __attribute__((packed)); // 保证此结构是16字节大小
/* 引导扇区,mbr或ebr所在的扇区 */
struct boot_sector
{
uint8_t other[446]; // 引导代码
struct partition_table_entry partition_table[4]; // 分区表中有4项,共64字节
uint16_t signature; // 启动扇区的结束标志是0x55,0xaa,
} __attribute__((packed));
/* 将dst中len个相邻字节交换位置后存入buf */
static void swap_pairs_bytes(const char *dst, char *buf, uint32_t len)
{
uint8_t idx;
for (idx = 0; idx < len; idx += 2)
{
/* buf中存储dst中两相邻元素交换位置后的字符串*/
buf[idx + 1] = *dst++;
buf[idx] = *dst++;
}
buf[idx] = '\0';
}
/* 获得硬盘参数信息 */
static void identify_disk(struct disk *hd)
{
char id_info[512];
select_disk(hd);
cmd_out(hd->my_channel, CMD_IDENTIFY);
/* 向硬盘发送指令后便通过信号量阻塞自己,
* 待硬盘处理完成后,通过中断处理程序将自己唤醒 */
sema_down(&hd->my_channel->disk_done);
/* 醒来后开始执行下面代码*/
if (!busy_wait(hd))
{ // 若失败
char error[64];
sprintf(error, "%s identify failed!!!!!!\n", hd->name);
PANIC(error);
}
read_from_sector(hd, id_info, 1);
char buf[64];
uint8_t sn_start = 10 * 2, sn_len = 20, md_start = 27 * 2, md_len = 40;
swap_pairs_bytes(&id_info[sn_start], buf, sn_len);
printk(" disk %s info:\n SN: %s\n", hd->name, buf);
memset(buf, 0, sizeof(buf));
swap_pairs_bytes(&id_info[md_start], buf, md_len);
printk(" MODULE: %s\n", buf);
uint32_t sectors = *(uint32_t *)&id_info[60 * 2];
printk(" SECTORS: %d\n", sectors);
printk(" CAPACITY: %dMB\n", sectors * 512 / 1024 / 1024);
}
/* 扫描硬盘hd中地址为ext_lba的扇区中的所有分区 */
static void partition_scan(struct disk *hd, uint32_t ext_lba)
{
struct boot_sector *bs = sys_malloc(sizeof(struct boot_sector));
ide_read(hd, ext_lba, bs, 1);
uint8_t part_idx = 0; // 用于遍历主分区的变量
struct partition_table_entry *p = bs->partition_table;
/* 遍历分区表4个分区表项 */
while (part_idx++ < 4)
{
if (p->fs_type == 0x5)
{ // 若为扩展分区
if (ext_lba_base != 0)
{
/* 子扩展分区的start_lba是相对于主引导扇区中的总扩展分区地址 */
partition_scan(hd, p->start_lba + ext_lba_base);
}
else
{ // ext_lba_base为0表示是第一次读取引导块,也就是主引导记录所在的扇区
/* 记录下扩展分区的起始lba地址,后面所有的扩展分区地址都相对于此 */
ext_lba_base = p->start_lba;
partition_scan(hd, p->start_lba);
}
}
else if (p->fs_type != 0)
{ // 若是有效的分区类型
if (ext_lba == 0)
{ // 此时全是主分区
hd->prim_parts[p_no].start_lba = ext_lba + p->start_lba;
hd->prim_parts[p_no].sec_cnt = p->sec_cnt;
hd->prim_parts[p_no].my_disk = hd;
list_append(&partition_list, &hd->prim_parts[p_no].part_tag);
sprintf(hd->prim_parts[p_no].name, "%s%d", hd->name, p_no + 1);
p_no++;
ASSERT(p_no < 4); // 0,1,2,3
}
else
{
hd->logic_parts[l_no].start_lba = ext_lba + p->start_lba;
hd->logic_parts[l_no].sec_cnt = p->sec_cnt;
hd->logic_parts[l_no].my_disk = hd;
list_append(&partition_list, &hd->logic_parts[l_no].part_tag);
sprintf(hd->logic_parts[l_no].name, "%s%d", hd->name, l_no + 5); // 逻辑分区数字是从5开始,主分区是1～4.
l_no++;
if (l_no >= 8) // 只支持8个逻辑分区,避免数组越界
return;
}
}
p++;
}
sys_free(bs);
}
/* 打印分区信息 */
static bool partition_info(struct list_elem *pelem, int arg UNUSED)
{
struct partition *part = elem2entry(struct partition, part_tag, pelem);
printk(" %s start_lba:0x%x, sec_cnt:0x%x\n", part->name, part->start_lba, part->sec_cnt);
/* 在此处return false与函数本身功能无关,
* 只是为了让主调函数list_traversal继续向下遍历元素 */
return false;
}
/* 硬盘数据结构初始化 */
void ide_init()
{
printk("ide_init start\n");
uint8_t hd_cnt = *((uint8_t *)(0x475)); // 获取硬盘的数量
ASSERT(hd_cnt > 0);
list_init(&partition_list);
channel_cnt = DIV_ROUND_UP(hd_cnt, 2); // 一个ide通道上有两个硬盘,根据硬盘数量反推有几个ide通道
struct ide_channel *channel;
uint8_t channel_no = 0, dev_no = 0;
/* 处理每个通道上的硬盘 */
while (channel_no < channel_cnt)
{
channel = &channels[channel_no];
sprintf(channel->name, "ide%d", channel_no);
/* 为每个ide通道初始化端口基址及中断向量 */
switch (channel_no)
{
case 0:
channel->port_base = 0x1f0; // ide0通道的起始端口号是0x1f0
channel->irq_no = 0x20 + 14; // 从片8259a上倒数第二的中断引脚,温盘,也就是ide0通道的的中断向量号
break;
case 1:
channel->port_base = 0x170; // ide1通道的起始端口号是0x170
channel->irq_no = 0x20 + 15; // 从8259A上的最后一个中断引脚,我们用来响应ide1通道上的硬盘中断
break;
}
channel->expecting_intr = false; // 未向硬盘写入指令时不期待硬盘的中断
lock_init(&channel->lock);
/* 初始化为0,目的是向硬盘控制器请求数据后,硬盘驱动sema_down此信号量会阻塞线程,
直到硬盘完成后通过发中断,由中断处理程序将此信号量sema_up,唤醒线程. */
sema_init(&channel->disk_done, 0);
register_handler(channel->irq_no, intr_hd_handler);
/* 分别获取两个硬盘的参数及分区信息 */
while (dev_no < 2)
{
struct disk *hd = &channel->devices[dev_no];
hd->my_channel = channel;
hd->dev_no = dev_no;
sprintf(hd->name, "sd%c", 'a' + channel_no * 2 + dev_no);
identify_disk(hd); // 获取硬盘参数
if (dev_no != 0)
{ // 内核本身的裸硬盘(hd60M.img)不处理
partition_scan(hd, 0); // 扫描该硬盘上的分区
}
p_no = 0, l_no = 0;
dev_no++;
}
dev_no = 0; // 将硬盘驱动器号置0,为下一个channel的两个硬盘初始化。
channel_no++; // 下一个channel
}
printk("\n all partition info\n");
/* 打印所有分区信息 */
list_traversal(&partition_list, partition_info, (int)NULL);
printk("ide_init done\n");
}
测试
/kernel/main.c
#include "print.h"
#include "init.h"
#include "thread.h"
#include "interrupt.h"
#include "console.h"
#include "process.h"
#include "syscall-init.h"
#include "syscall.h"
#include "stdio.h"
#include "memory.h"
void k_thread_a(void *);
void k_thread_b(void *);
void u_prog_a(void);
void u_prog_b(void);
int main(void)
{
put_str("I am kernel\n");
init_all();
while (1)
;
process_execute(u_prog_a, "u_prog_a");
process_execute(u_prog_b, "u_prog_b");
thread_start("k_thread_a", 31, k_thread_a, "I am thread_a");
thread_start("k_thread_b", 31, k_thread_b, "I am thread_b");
while (1)
;
return 0;
}
/* 在线程中运行的函数 */
void k_thread_a(void *arg)
{
void *addr1 = sys_malloc(256);
void *addr2 = sys_malloc(255);
void *addr3 = sys_malloc(254);
console_put_str(" thread_a malloc addr:0x");
console_put_int((int)addr1);
console_put_char(',');
console_put_int((int)addr2);
console_put_char(',');
console_put_int((int)addr3);
console_put_char('\n');
int cpu_delay = 100000;
while (cpu_delay-- > 0)
;
sys_free(addr1);
sys_free(addr2);
sys_free(addr3);
while (1)
;
}
/* 在线程中运行的函数 */
void k_thread_b(void *arg)
{
void *addr1 = sys_malloc(256);
void *addr2 = sys_malloc(255);
void *addr3 = sys_malloc(254);
console_put_str(" thread_b malloc addr:0x");
console_put_int((int)addr1);
console_put_char(',');
console_put_int((int)addr2);
console_put_char(',');
console_put_int((int)addr3);
console_put_char('\n');
int cpu_delay = 100000;
while (cpu_delay-- > 0)
;
sys_free(addr1);
sys_free(addr2);
sys_free(addr3);
while (1)
;
}
/* 测试用户进程 */
void u_prog_a(void)
{
void *addr1 = malloc(256);
void *addr2 = malloc(255);
void *addr3 = malloc(254);
printf(" prog_a malloc addr:0x%x,0x%x,0x%x\n", (int)addr1, (int)addr2, (int)addr3);
int cpu_delay = 100000;
while (cpu_delay-- > 0)
;
free(addr1);
free(addr2);
free(addr3);
while (1)
;
}
/* 测试用户进程 */
void u_prog_b(void)
{
void *addr1 = malloc(256);
void *addr2 = malloc(255);
void *addr3 = malloc(254);
printf(" prog_b malloc addr:0x%x,0x%x,0x%x\n", (int)addr1, (int)addr2, (int)addr3);
int cpu_delay = 100000;
while (cpu_delay-- > 0)
;
free(addr1);
free(addr2);
free(addr3);
while (1)
;
}
编译运行
打印硬盘分区结构
参考
linux下使用fdisk进行磁盘分区详解 - 人生的哲理 - 博客园
用《操作系统真象还原》写一个操作系统 第十三章 编写硬盘驱动程序 第四节 获取硬盘信息，扫描分区表_哔哩哔哩_bilibili
