操作系统任务调度(包你学会)

上图，就是TTS的最基本的结构，在它的后面，操作系统还可以另外增加若干字节以存放一些额外的数据，不过CPU只使用最基本的共104字节的空间。

从上面的结构中我们可以看见，里面几乎保存了一个进程运行所需要使用的CPU的所有信息，下面，我们就来详细研究下这个结构。

在上图中，已经用三种色彩将上述的TSS结构分成了三部份，对于“未用”部份我们可以不必理会，另外还有两个部份：“CPU自动更新区”及“CPU只读区”，所谓“自动更新”是指当CPU在进行任务切换的时候，会自动将当前任务的相关信息存放到TSS的相应位置中，这样，CPU就保存了当前任务的相关信息。

“只读区”是指CPU在任务切换时会从中读取相关信息，但是，在任务被切换出去的时候，不会保存它们，因此，“只读区”的信息是由操作系统在创建任务的时候就指定好的，CPU只是读取而不会去修改它们。

从上图中，我们知道了CPU将当前任务的相关信息保存在什么地方，不过这个TSS实在是太大了！它不可能放在CPU中，而只能被放在内存中，因此我们还需要一个指针只向内存中的TSS，这样CPU就可以通过这个指针找到相应的TSS了，这样的指针有两种，我们分别将其称为“TSS描述符”和“任务门”。

“TSS 描述符”及“任务门”的结构与用途下面我们还是先来看看“TSS描述符”的结构：上图就是“TSS描述符”结构，从图中我们可以看见，它给出了一个TSS所在的内存位置以及TSS的大小。

这里需要注意的是，从前面的TSS基本结构图中我们可以知道一个TSS基本结构最小不能小于104字节，因此，这里的TSS的大小限制最小是103（TSS的最小结构的大小104 – 1）。

另外还要特别引起注意的就是图中的“B”位，这一标志位用来标志一个任务是否是忙任务。

如果B位被清零，那么我们就说这个任务是一个“可用任务”，如果B位被置1，我们说这个任务是一个“忙任务”，所谓“忙任务”是指它正在被运行，或者它是一个被任务链链接起来的任务，明白“B”位的用处在实际的编程序非常重要，但在这里不打算详加描述，把详细的描述留给下面的文字完成。

从上图我们可以看出，一个“TSS描述符”指代了一个TSS结构，按理来说，这已经完全足够使用了，但是用于Intel允许在中断的时候也可以进行任务切换，这样，我们就可以把中断处理程序作为一个专门的任务，然而，中断描述符表中存放的只能是门描述符，而上面的“TSS描述符”并不是一种门描述符，因此，它不能被放在中断描述符表中，于是Intel又定义了一种“任务门”，它其实指向的是一个“TSS描述符”，但由于它是一种门描述符，因此，它可以被放在中断描述符表中，这样当发生中断的时候，CPU通过中断号查询中断描述符表，得到相应的门描述符，如果发现它是一个“任务门”，则通过它找到相应的“TSS描述符”，再通过相应的“TSS描述符”找到相应的“TSS结构”。

其实，我总觉得定义“任务门”有点多此一举，但Intel已经这样做了，我们也就不得不照办。

下面，我们就来看看“任务门”的结构：上图就是“任务门”的结构，其中被用到的地方极少，Intel真是浪费啊！P位与DPL 位与前面的“TSS描述符”中的相应位的作用是一样的，这里就不多述说了，余下就说说“TSS 选择符”吧。

从前面的TSS描述符我们以经知道了，一个“TSS描述符”指代了一个TSS结构，通过它我们可以知道一个TSS结构在内存中的位置。

那么我们又怎样得到一个“TSS描述符”的呢？它又是放在什么地方的呢？在操作系统中，这样的TSS描述符由于会被CPU、中断服务程序、其它进程访问，因此它只能放在“全局描述符表”中（有“关全局描述符表”在《操作系统引导探究》一文中有详细描述）。

因此我们需要用一个索引来指出“TSS描述符”在全局描述符表中的位置，这样我们就可以找到相应的“TSS描述符”了，这个索引就被称之为“TSS选择符”，顾名思义，它是用来在“全局描述符表”中选择“TSS描述符”的。

下面，我们通过一个图来看看CPU是怎么进行任务切换的，这个地方比较有趣的是“任务门”与“TSS描述符”都是放在“全局描述符”表中的，并且都需要一个索引指出它们在表中的位置，而这个索引都是一个选择符，分别称为“任务门选择符”与“TSS选择符”。

CPU任务切换行为概述上图就是一个任务切换发生情况的示意图，我们下面就来详细说明一下这个图。

从图上我们可以看出，CPU在下述三种情况下发生了任务切换：1. 使用了jmp，call指令，而指令的操作符，也即目标地址指向了一个“TSS描述符”或者一个“任务门描述符”。

（而这个任务门描述符其实还是指向了一个“TSS描述符”）。

2. 产生了中断，而中断向量指向了中断向量表中的一个“任务门描述符”。

3. 使用了IRET指令，并且在执行这个指令的时候EFLAGS寄存器中的NT位被置1了。

而在这三种情况下发生的任务切换CPU还有不同的动作，下面就让我们来详细的看一看。

1. 如果这个切换是由 jmp 指令引起的，那么，CPU会首先进行特权检查，并检查目标任务的B位（忙位）是否为0，然后CPU将目标任务的B位置为1，把当前任务的B位清零，随后，CPU把当前任务的状态信息压入相应的TSS结构中，并从目标任务的TSS结构中取出相应信息，这样，就完成了一次任务切换。

2. 如果这个切换是由 call 指令或中断引起的，那么，CPU在进行完特权检查后，同样会检查目标任务的B位是否为0，然后，CPU将目标任务的EFLAGS中的NT为置1，并将当前任务的“TSS描述符”放入目标任务的Link字段，之后，CPU把当前任务的状态信息压入相应的TSS结构中，并从目标任务的TSS结构中取出相应信息，完成任务切换。

3. 如果这个切换是由 iret 指令引起的（注意，此时当前任务的EFLAGS中的NT位是被置1的），那么CPU在进行完特权检测之后，会检查目标任务的B位是否为1（注意，这里是要求为1，而不是先前的0），之后，会把当前任务的B位清零，并且把当前任务的EFLAGS中的NT位清零，随后，CPU把当前任务信息压入相应的TSS结构中，并从目标任务的TSS结构中取出相应信息，完成任务切换。

从上面所描述的CPU的行为特征中我们不难发现，jmp 指令只是一个很单纯的跳转指令，从一个任务跳转到另一个任务，CPU不会做更多的操作，而在call指令与中断引发的任务切换中，CPU会把当前任务的“TSS描述符”放入目标任务的“TSS描述符”的Link 字段中，并设置相应的状态位，这样，就相当于一个链表一样将当前任务与目标任务链接起来了，这样当使用iret指令的时候，就可以从目标任务返回原任务中执行。

这一特性在中断处理中特别有用，因为，你可以直接用 iret 指令，从中断服务任务中返回原任务继续运行。

描述了这么多，有这么多的任务，这么多的“TSS描述符”同时存在，那么CPU怎样知道哪个“TSS描述符”所指代的任务是当前正在执行中的当前任务呢？其实在CPU内部有一个TR（任务寄存器），它里面存放的就是当前正在执行的任务的“TSS描述符”，在发生任务切换的时候，CPU也会自动将新任务的“TSS描述符”载入其中。

好了，有关本实验所用到的基本知识已介绍完毕，下面我们将来看看在实际的操作系统中，这一切都是怎么通过代码去实现的。

Go！~~pyos 本实验相关问题概述通过前面几个实验，也许大家对 pyos 已经比较熟悉了，不过作为一个正在开发中的系统来说，不断的修改与完善是必不可少的，在本次实验中，pyos 又在结构上做了比较大的调整。

本实验报告所用的 pyos 是 2004_05_31_10_00 版，你可以在 （纯C论坛）上找到它的全部源代码。

由于 pyos 目前还没有完成磁盘驱动与文件管理这块，因此，本实验所用到的两个进程，A进程与B进程，是直接写到映象文件中的指定位置，并在系统启动后由setup程序直接读到内存指定位置的。

下面我们来看看这两个进程的代码：#include "video.h"extern "C" void user_main(){static int i = 0 ;for( ;; ){if( ++i == 0xfffffff ){ // 延迟class_pyos_Video::Print( "_A_" ) ;i = 0 ;}}}上面的代码就是A进程的代码，B进程的代码与之几乎完全一样，只不过输出的不是“_A_”而是“-B-”。

首先我们使用 pyos_gcc 将它们分别编译：out/pyos_gcc.exe source/A_Process.cpp 0x80000 out/A_Process.binout/pyos_gcc.exe source/B_Process.cpp 0x90000 out/B_Process.bin其中的 0x80000，是指A进程将会被放在内存中的地址，同样0x90000是B进程被放在内存中的位置，在启动的时候，它们分别会被setup.asm程序读到上述指定的内存地址中。

有关这部份编译内容在源代码包中compile.bat文件里有详细描述，这里就不多说了，感兴趣的朋友可以看看相关源代码。

下面我们还是直接来看看内核代码吧：/* 内核主函数 */extern "C" void pyos_main(){/* 系统初始化 */class_pyos_System::Init() ;/* 清屏，打印欢迎信息 */class_pyos_Video::Clear() ;class_pyos_Video::Print( "Pyos Task Switch Experiment\n" ) ;/* 安装时钟中断 */class_pyos_System::InstallCpuTimeInterrupt() ;/* 许可时钟中断 */class_pyos_System::EnableCpuTimeInterrupt() ;/* 打开中断 */class_pyos_Interrupt::OpenInterrupt() ;for( ;; ) ;}内核代码非常简单，注释也很详细，这里就只捡重点的说了。

当内核运行之后，会打开时钟中断，在时钟中断里，系统会进行计数，看看到底发生了多少次中断，而每一次时钟中断，在pyos中都看做是一个最基本的时间片。

随后，中断服务程序会与当前正在运行的进程所拥有的时间片进行比较，看看进程的时间片是否用光，如果用光了，时钟中断服务程序就进行任务切换。

下面，我们就来看看这段代码：/* 时钟中断处理函数 */void class_pyos_System::HandleCpuTimeInterrupt(){// 发生时钟中断，准备进行任务切换static int i = 0 ;unsigned int processNo = class_pyos_Process::CurrentProcessNumber ;if( processNo == 0 ){// 如果现在是内核进程，则切换到下个进程，并保证不再切换到内核进程processNo = processNo % 2 + 1 ;}else{// 如果不是内核进程，则时间片+1++i ;if( i == class_pyos_Process::ProcessQueue[ processNo ].CpuTime ){// 如果一个进程的cpu时间到，且切换到下一进程processNo = processNo % 2 + 1 ;// 重新计算时间片i = 0 ;}}class_pyos_Process::CurrentProcessNumber = processNo ;unsigned int base ;// 先进行解连处理，取得先前任务的 TSS 描述符base = m_gdt.TSS[ 3 ].Base_0_15 ;base |= ( m_gdt.TSS[ 3 ].Base_16_23 << 16 ) ;base |= ( m_gdt.TSS[ 3 ].Base_24_31 << 24 ) ;struct_pyos_TSS *pTss = ( struct_pyos_TSS * )base ;base = pTss->Link ;// 将先前任务标记为非忙任务base += ( unsigned int )&m_gdt ;struct_pyos_TSSItem* p = ( struct_pyos_TSSItem * )base ;p->B = 0 ;// 将欲执行的任务描述符标记为忙任务class_pyos_System::m_gdt.TSS[ processNo ].B = 1 ;// 把当前任务（时钟中断处理程序的Link换成欲跳转到的任务选择子）pTss->Link = class_pyos_Process::ProcessQueue[ processNo ].TssSelector ;return ;}这里，时钟中断首先进行了解链处理，因为在前面的描述中我们知道了，在中断引起的任务切换中，会将原任务的TSS描述符放入中断服务程序的TSS中的Link字段中，这样在中段返回的时候，就可以返回到原任务去执行，现在由于在中断服务程序中需要切换到另外一个任务去执行，而不能直接返回到被中断的原任务中运行（因为，如果还是返回到被中断的原任务中继续运行，就无法完成任务调度了）。