第15天
　　多任務（1）
　　挑戰(zhàn)任務切換（harib12a）
　　任務切換進階（harib12b）
　　做個簡單的多任務（1）（harib12c）
　　做個簡單的多任務（2）（harib12d）
　　提高運行速度（harib12e）
　　測試運行速度（harib12f）
　　多任務進階（harib12g）
　　1　挑戰(zhàn)任務切換（harib12a）
　　“話說，多任務到底是啥呢？”我們今天的內容，就從這個問題開始吧。
　　多任務，在英語中叫做“multitask”，顧名思義就是“多個任務”的意思。簡單地說，在Windows等操作系統(tǒng)中，多個應用程序同時運行的狀態(tài)（也就是同時打開好幾個窗口的狀態(tài)）就叫做多任務。
　　對于生活在現(xiàn)代社會的各位來說，這種多任務簡直是理所當然的事情。比如你會一邊用音樂播放軟件聽音樂一邊寫郵件，郵件寫到一半忽然有點東西要查，便打開Web瀏覽器上網(wǎng)搜索。這對于大家來說這些都是家常便飯了吧�？扇绻麤]有多任務的話會怎么樣呢？想寫郵件的時候就必須關掉正在播放的音樂，要查東西的時候就必須先保存寫到一半的郵件，然后才能打開Web瀏覽器……光想象一下就會覺得太不方便了。
　　然而在從前，沒有多任務反倒是普遍的情形（那個時候大家不用電腦聽音樂，也沒有互聯(lián)網(wǎng)）。在那個年代，電腦一次只能運行一個程序，如果要同時運行多個程序的話，就得買好幾臺電腦才行。
　　就在那個時候，誕生了最初的多任務操作系統(tǒng)，大家都覺得太了不起了。從現(xiàn)在開始，我們也要準備給“紙娃娃系統(tǒng)”添加執(zhí)行多任務的能力了。連這樣一個小不點兒操作系統(tǒng)都能夠實現(xiàn)多任務，真是讓人不由地感嘆它生逢其時呀。
　　稍稍思考一下我們就會發(fā)現(xiàn)，多任務這個東西還真是奇妙，它究竟是怎樣做到讓多個程序同時運行的呢？如果我們的電腦里面裝了好多個CPU的話，同時運行多個程序倒也順理成章，但實際上就算我們只有一個CPU，照樣可以實現(xiàn)多任務。
　　其實說穿了，這些程序根本沒有在同時運行，只不過看上去好像是在同時運行一樣：程序A運行一會兒，接下來程序B運行一會兒，再接下來輪到程序C，然后再回到程序A……如此反復，有點像日本忍者的“分身術”呢（笑）。
　　為了讓這種分身術看上去更完美，需要讓操作系統(tǒng)盡可能快地切換任務。如果10秒才切換一次，那就連人眼都能察覺出來了，同時運行多個程序的戲碼也就穿幫了。再有，如果我們給程序C發(fā)出一個按鍵指令，正巧這個瞬間系統(tǒng)切換到了程序A的話，我們就不得不等上20秒，才能重新輪到程序C對按鍵指令作出反應。這實在是讓人抓狂�。�哭）。
　　在一般的操作系統(tǒng)中，這個切換的動作每0.01～0.03秒就會進行一次。當然，切換的速度越快，讓人覺得程序是在同時運行的效果也就越好。不過，CPU進行程序切換（我們稱為“任務切換”）這個動作本身就需要消耗一定的時間，這個時間大約為0.0001秒左右，不同的CPU及操作系統(tǒng)所需的時間也有所不同。如果CPU每0.0002秒切換一次任務的話，該CPU處理能力的50%都要被任務切換本身所消耗掉。這意味著，如果同時運行2個程序，每個程序的速度就只有單獨運行時的1/4，這樣你會覺得開心嗎？如果變成這種結果，那還不如干脆別搞多任務呢。
　　相比之下，即便是每0.001秒切換一次任務，單單在任務切換上面也要消耗CPU處理能力的10%。大概有人會想，10%也沒什么大不了的吧？可如果你看看速度快10%的CPU賣多少錢，說不定就會恍然大悟，“對啊，只要優(yōu)化一下任務切換間隔，就相當于一分錢也不花，便換上了比現(xiàn)在更快的CPU嘛……”（笑），你也就明白了浪費10%也是很不值得的。正是因為這個原因，任務切換的間隔最短也得0.01秒左右，這樣一來只有1%的處理能力消耗在任務切換上，基本上就可以忽略不計了。
　　關于多任務是什么的問題，已經(jīng)大致講得差不多了，接下來我們來看看如何讓CPU來處理多任務。
　　當你向CPU發(fā)出任務切換的指令時，CPU會先把寄存器中的值全部寫入內存中，這樣做是為了當以后切換回這個程序的時候，可以從中斷的地方繼續(xù)運行。接下來，為了運行下一個程序，CPU會把所有寄存器中的值從內存中讀取出來（當然，這個讀取的地址和剛剛寫入的地址一定是不同的，不然就相當于什么都沒變嘛），這樣就完成了一次切換。我們前面所說的任務切換所需要的時間，正是對內存進行寫入和讀取操作所消耗的時間。
　　接下來我們來看看寄存器中的內容是怎樣寫入內存里去的。下面這個結構叫做“任務狀態(tài)段”（task status segment），簡稱TSS。TSS有16位和32位兩個版本，這里我們使用32位版。顧名思義，TSS也是內存段的一種，需要在GDT中進行定義后使用。
　　參考上面的結構定義，TSS共包含26個int成員，總計104字節(jié)（摘自CPU的技術資料），我特意把它們分成4行來寫。從開頭的backlink起，到cr3為止的幾個成員，保存的不是寄存器的數(shù)據(jù)，而是與任務設置相關的信息，在執(zhí)行任務切換的時候這些成員不會被寫入（backlink除外，某些情況下是會被寫入的）。后面的部分中我們會用到這里的設定，不過現(xiàn)在你完全可以先忽略它。
　　第2行的成員是32位寄存器，第3行是16位寄存器，應該沒必要解釋了吧……不對，eip好像到現(xiàn)在還沒講過呢。EIP的全稱是"extended instruction pointer"，也就是"擴展指令指針寄存器"的意思。這里的"擴展"代表它是一個32位寄存器，也就是說其對應的16位版本叫做IP，類比一下的話，跟EAX與AX之間的關系是一樣的。
　　EIP是CPU用來記錄下一條需要執(zhí)行的指令位于內存中哪個地址的寄存器，因此它才被稱為"指令指針"。如果沒有這個寄存器，記性不好的CPU就會忘記自己正在運行哪里的程序，于是程序就沒辦法正常運行了。每執(zhí)行一條指令，EIP寄存器中的值就會自動累加，從而保證一直指向下一條指令所在的內存地址。
　　說點題外話，JMP指令實際上是一個向EIP寄存器賦值的指令。JMP 0x1234這種寫法，CPU會解釋為MOV EIP,0x1234，并向EIP賦值。也就是說，這條指令其實是篡改了CPU記憶中下一條該執(zhí)行的指令的地址，蒙了CPU一把。這樣一來，CPU在讀取下一條指令時，就會去讀取0x1234這個地址中的指令。你看，這不就相當于是做了一個跳轉嗎？
　　對了，如果你在匯編語言里用MOV EIP,0x1234這種寫法是會出錯的，還是不要嘗試的好。在匯編語言中，應該使用JMP 0x1234來代替MOV EIP,0x1234。
　　如果在TSS中將EIP寄存器的值記錄下來，那么當下次再返回這個任務的時候，CPU就可以明白應該從哪里讀取程序來運行了。
　　按照常識，段寄存器應該是16位的才對，可是在TSS數(shù)據(jù)結構中卻定義成了int（也就是DWORD）類型。我們可以大膽想象一下，說不定英特爾公司的人將來會把段寄存器變成32位的，這樣想想也挺有意思的呢（笑）。
　　第4行的ldtr和iomap也和第1行的成員一樣，是有關任務設置的部分，因此在任務切換時不會被CPU寫入。也許你會想，那就和第1行一樣，暫時先忽略好了--但那可是絕對不行的！如果胡亂賦值的話，任務就無法正常切換了，在這里我們先將ldtr置為0，將iomap置為0x40000000就好了。
　　關于TSS的話題暫且先告一段落，我們回來繼續(xù)講任務切換的方法。要進行任務切換，其實還得用JMP指令。JMP指令分為兩種，只改寫EIP的稱為near模式，同時改寫EIP和CS的稱為far模式，在此之前我們使用的JMP指令基本上都是near模式的。不記得CS是什么了？CS就是代碼段（code segment）寄存器啦。
　　說起來我們其實用過一次far模式的JMP指令，就在asmhead.nas的"bootpack啟動"的最后一句（見8.5節(jié)）。
　　JMP  DWORD 2*8:0x0000001b
　　這條指令在向EIP存入0x1b的同時，將CS置為2*8（=16）。像這樣在JMP目標地址中帶冒號（:）的，就是far模式的JMP指令。
　　如果一條JMP指令所指定的目標地址段不是可執(zhí)行的代碼，而是TSS的話，CPU就不會執(zhí)行通常的改寫EIP和CS的操作，而是將這條指令理解為任務切換。也就是說，CPU會切換到目標TSS所指定的任務，說白了，就是JMP到一個任務那里去了。
　　CPU每次執(zhí)行帶有段地址的指令時，都會去確認一下GDT中的設置，以便判斷接下來要執(zhí)行的JMP指令到底是普通的far-JMP，還是任務切換。也就是說，從匯編程序翻譯出來的機器語言來看，普通的far-JMP和任務切換的far-JMP，指令本身是沒有任何區(qū)別的。
　　好了，枯燥的講解就到這里，讓我們實際做一次任務切換吧。我們準備兩個任務：任務A和任務B，嘗試從A切換到B。
　　首先，我們需要創(chuàng)建兩個TSS：任務A的TSS和任務B的TSS。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　struct TSS32 tss_a, tss_b;
　　向它們的ldtr和iomap分別存入合適的值。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　tss_a.ldtr = 0;
　　tss_a.iomap = 0x40000000;
　　tss_b.ldtr = 0;
　　tss_b.iomap = 0x40000000;
　　接著將它們兩個在GDT中進行定義。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) ADR_GDT;
　　set_segmdesc(gdt + 3, 103, (int) &tss_a, AR_TSS32);
　　set_segmdesc(gdt + 4, 103, (int) &tss_b, AR_TSS32);
　　將tss_a定義在gdt的3號，段長限制為103字節(jié)，tss_b也采用類似的定義。
　　現(xiàn)在兩個TSS都創(chuàng)建好了，該進行實際的切換了。
　　我們向TR寄存器存入3 * 8這個值，這是因為我們剛才把當前運行的任務定義為GDT的3號。TR寄存器以前沒有提到過，它的作用是讓CPU記住當前正在運行哪一個任務。當進行任務切換的時候，TR寄存器的值也會自動變化，它的名字也就是"task register"（任務寄存器）的縮寫。我們每次給TR寄存器賦值的時候，必須把GDT的編號乘以8，因為英特爾公司就是這樣規(guī)定的。如果你有意見的話，可以打電話找英特爾的大叔投訴哦（笑）。
　　給TR寄存器賦值需要使用LTR指令，不過用C語言做不到。唉，各位是不是都已經(jīng)見怪不怪了��？啥？你早就料到了？（笑）所以說，正如你所料，我們只能把它寫進naskfunc.nas里面。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　load_tr(3 * 8);
　　本次的naskfunc.nas節(jié)選
　　_load_tr:       ; void load_tr(int tr);
　　LTR     [ESP+4]         ; tr
　　RET
　　對了，LTR指令的作用只是改變TR寄存器的值，因此執(zhí)行了LTR指令并不會發(fā)生任務切換。
　　要進行任務切換，我們必須執(zhí)行far模式的跳轉指令，可惜far跳轉這事C語言還是無能為力，這種語言還真是不方便啊。沒辦法，這個函數(shù)我們也得在naskfunc.nas里創(chuàng)建。
　　本次的naskfunc.nas節(jié)選
　　_taskswitch4:   ; void taskswitch4(void);
　　JMP     4*8:0
　　RET
　　也許有人會問，在JMP指令后面寫個RET有意義嗎？也對，通常情況下確實沒意義，因為已經(jīng)跳轉到別的地方了嘛，后面再寫什么指令也不會被執(zhí)行了。不過，用作任務切換的JMP指令卻不太一樣，在切換任務之后，再返回這個任務的時候，程序會從這條JMP指令之后恢復運行，也就是執(zhí)行JMP后面的RET，從匯編語言函數(shù)返回，繼續(xù)運行C語言主程序。
　　另外，如果far-JMP指令是用作任務切換的話，地址段（冒號前面的4*8的部分）要指向TSS這一點比較重要，而偏移量（冒號后面的0的部分）并沒有什么實際作用，會被忽略掉，一般來說像這樣寫0就可以了。
　　現(xiàn)在我們需要在HariMain的某個地方來調用taskswitch()，可到底該寫在哪里呢？唔，有了，就放在顯示"10[sec]"的語句后面好了。也就是說，程序啟動10秒以后進行任務切換。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　} else if (i == 10) { /* 10秒計時器*/
　　putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 64, COL8_FFFFFF, COL8_008484, "10[sec]", 7);
　　taskswitch4();  /*這里！ */
　　} else if (i == 3) { /* 3秒計時器  */
　　大功告成了？不對，我們還沒準備好tss_b呢。在任務切換的時候需要讀取tss_b的內容，因此我們得在TSS中定義好寄存器的初始值才行。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　tss_b.eip = (int) &task_b_main;
　　tss_b.eflags = 0x00000202; /* IF = 1; */
　　tss_b.eax = 0;
　　tss_b.ecx = 0;
　　tss_b.edx = 0;
　　tss_b.ebx = 0;
　　tss_b.esp = task_b_esp;
　　tss_b.ebp = 0;
　　tss_b.esi = 0;
　　tss_b.edi = 0;
　　tss_b.es = 1 * 8;
　　tss_b.cs = 2 * 8;
　　tss_b.ss = 1 * 8;
　　tss_b.ds = 1 * 8;
　　tss_b.fs = 1 * 8;
　　tss_b.gs = 1 * 8;
　　乍看之下，貌似會有很多看不懂的地方吧，我們從后半段對寄存器賦值的地方開始看。這里我們給cs置為GDT的2號，其他寄存器都置為GDT的1號，asmhead.nas的時候也是一樣的。也就是說，我們這次使用了和bootpack.c相同的地址段。當然，如果你用別的地址段也沒問題，不過這次我們只是想隨便做個任務切換的實驗而已，這種麻煩的事情還是以后再說吧。
　　繼續(xù)看剩下的部分，關于eflags的賦值，如果把STI后的EFLAGS的值通過io_load_eflags賦給變量的話，該變量的值就顯示為0x00000202，因此在這里就直接使用了這個值，僅此而已。如果還有看不懂的地方，大概就是eip和esp的部分了吧。
　　在eip中，我們需要定義在切換到這個任務的時候，要從哪里開始運行。在這里我們先把task_b_main這個函數(shù)的內存地址賦值給它。
　　本次的bootpack.c節(jié)選
　　void task_b_main(void)
　　{
　　for (;;) { io_hlt(); }
　　}
　　這個函數(shù)只執(zhí)行了一個HLT，沒有任何實際作用，后面我們會對它進行各種改造，現(xiàn)在就先這樣吧。
　　task_b_esp是專門為任務B所定義的棧。有人可能會說，直接用任務A的棧不就好了嗎？那可不行，如果真這么做的話，棧就會混成一團，程序也無法正常運行。
　　本次的HariMain節(jié)選
　　int task_b_esp;
　　task_b_esp = memman_alloc_4k(memman, 64 * 1024) + 64 * 1024;
　　總之先寫成這個樣子了。我們?yōu)槿蝿誃的棧分配了64KB的內存，并計算出棧底的內存地址。請各位回憶一下向棧PUSH數(shù)據(jù)（入棧）的動作，ESP中存入的應該棧末尾的地址，而不是棧開頭的地址。
　　好了，我們已經(jīng)講解得夠多了，現(xiàn)在總算是萬事俱備啦，馬上"make run"一下吧。這個程序如果運行正常的話應該是什么樣子呢？嗯，啟動之后的10秒內，還是跟以前一樣的，10秒一到便執(zhí)行任務切換，task_b_main開始運行。因為task_b_main只有一句HLT，所以接下來程序就全部停止了，鼠標和鍵盤也應該都沒有反應了。
　　唔……這樣看起來好像很無聊啊，算了，總之我們先來"make run"吧。10秒鐘的等待還真是漫長……哇！停了停了！
　　看來我們的首次任務切換獲得了圓滿成功。
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