自制操作系统 - 用户态打印printf | 王富杰的博客

一、用户态printf

进入用户态之后，就不能再调用printk函数了。内核需要实现printf函数来打印，printf是底层调用了write这个系统调用。

1.1、文件描述符

在linux系统中，有三个文件描述符分别为标准输入，标准输出，标准错误输出，对应表示为0、1、2。打印默认是打印到标准输出，因此需要先定义标准输出：

typedef int32 fd_t;
typedef enum std_fd_t
{
    stdin,
    stdout,
    stderr,
} std_fd_t;

如上所示，文件描述符是一个整型，标准输出，标准输出和标准错误输出通过枚举定义，分别是0， 1， 2。

1.2、write系统调用

printf需要通过write系统调用实现。write系统调用需要传入三个参数，因此还应该实现下三个参数的系统调用：

int32 write(fd_t fd, char *buf, u32 len)
{
    return _syscall3(SYS_NR_WRITE, fd, (u32)buf, len);
}

_syscall3为三个参数的系统调用，我们这里就不再粘贴代码，通过内联汇编实现，和1个参数、2个参数的系统调用类似。当执行系统调用后，将会调用系统调用的中断函数，这是会中断函数是 sys_write

int32 sys_write(fd_t fd, char *buf, u32 len)
{
    if (fd == stdout || fd == stderr)
    {
        return console_write(buf, len);
    }
    // todo
    panic("write!!!!");
    return 0;
}

sys_write 如果写入时标准输出或标准错误输出，就调用console_write打印到控制台，如果部署标准输出就panic，目前我们还未实现文件输出。当然这是省略了write这个系统调用的初始化过程。最后我们就可以实现printf函数了：

static char buf[1024];

int printf(const char *fmt, ...)
{
    va_list args;
    int i;
    va_start(args, fmt);
    i = vsprintf(buf, fmt, args);
    va_end(args);
    write(stdout, buf, i);
    return i;
}

如上所示，printf和prink一样支持可变参数。获取可变参数列表后，调用write系统调用。

二、打印测试

在晚上printf函数的实现以后，就可以在用户态进行打印了。测试代码如下：

static void real_init_thread()
{
    u32 counter = 0;

    char ch;
    while (true)
    {
        printf("task is in user mode %d\n", counter++);
    }
}

运行该代码，就会在屏幕上持续打印。我们这里再详细说明下内核进入用户态以及系统调用进入内核态，调用结束再回到用户态的过程。

内核在进行初始化过程中，执行到进程初始化task_init，在进行init进程初始化时调用了task_to_user_mode(real_init_thread)
task_to_user_mode中获取当前进程，即内核进程，修改该进程的栈内容，设置选择子为用户态选择子。申请一页内存并设置栈的esp指向这页内存，eip指向real_init_thread函数
直接执行中断返回函数，(此处只是模拟中断)，返回后进入real_init_threa函数，此时已经进入用户态。
在内核态中，cs的值为23，即cpu的rpl被设置为3，运行在特权级3上。
在用户态中，执行printf函数。执行了write系统调用，CPU会自动检测当前的特权级属于用户态，进行特权级提升，栈自动从用户栈跳转到了内核栈，这是cpu硬件完成的，硬件自动从 TSS（Task State Segment）中加载 SS0 和 ESP0（内核栈指针），替换当前的用户栈 SS:ESP （SS0 和 ESP0在TSS初始化时就已经指定了）
进入内核态之后执行中断函数在屏幕上打印内容，中断结束恢复栈，回到用户态。

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