OS Experiment: x86 Protected Mode Multi-Task Demo

本项目是一个基于 NASM + Bochs + FreeDOS 的 x86 保护模式课程设计工程，目标是在裸机环境下完成保护模式初始化、分页、TSS/LDT 任务定义，以及基于时钟中断的多任务切换。

当前仓库保留了 LEVEL1 到 LEVEL4 四个阶段的源码，其中最终展示版本为 LEVEL4。LEVEL4 实现了 4 个任务、4 套地址空间、优先数调度和同一线性地址的不同物理映射，能够在屏幕同一位置按不同频率显示不同字符串。

当前实现

LEVEL1

实现保护模式初始化，包含 GDT、段描述符、权限切换等基础内容。

LEVEL2

实现两个任务和两套页表，完成从任务 A 到任务 B 的一次切换。

LEVEL3

保留了双任务和时钟中断切换的中间版本源码，适合作为从两任务过渡到多任务的参考实现。

LEVEL4

这是当前完整实现。程序在保护模式下建立 4 个任务，每个任务都有自己的 LDT、TSS、堆栈和页目录/页表。4 个任务通过同一个线性地址 0x00401000 进入各自逻辑，但由于每个任务使用不同的 CR3，最终执行到不同物理页中的任务代码。

4 个任务当前显示的字符串为：

• HUST
• MRSU
• DIONYSUS
• HELLO

调度采用加权轮转表：

_sched_table: db 0,0,0,0, 1,1,1, 2,2, 3

这表示 4 个任务获得 CPU 的机会比例为 4:3:2:1。在运行效果上，HUST 出现最频繁，HELLO 最少，能直观看到优先级差异。

LEVEL4 实现要点

程序启动后先在实模式下完成内存检测、GDT/IDT 准备、A20 打开和保护模式切换，然后进入 32 位代码段继续初始化。

在 32 位阶段，程序会把 4 段任务代码复制到不同物理页，建立 4 套页目录和页表，并把同一个线性地址映射到不同物理页。之后加载 LDTR 和 TR，初始化 8259A，只开放时钟中断 IRQ0。

时钟中断处理程序会根据 _sched_table 更新当前任务号，并通过 jmp SelectorTSSx:0 跳转到目标任务对应的 TSS，从而完成硬件任务切换。任务本身都是死循环，并持续调用同一个线性地址上的例程，因此在不同地址空间下会显示不同字符串。

为了便于调试，IDT 中还区分了异常处理和伪中断处理。如果屏幕上出现 ! 并停机，通常表示程序触发了异常。

目录结构

.
├── README.md
├── docs/
│   ├── guide.pdf
│   ├── level4_report.md
│   └── task1_level4.asm
├── work/
│   ├── build/          # 构建出的 .COM 文件
│   ├── img/            # FreeDOS 镜像与实验软盘镜像
│   ├── scripts/        # 运行脚本与 Bochs 配置
│   └── src/
│       ├── level1/
│       ├── level2/
│       ├── level3/
│       └── level4/
└── vendor/             # 参考资料与原始样例

开发环境

本项目当前在以下环境中整理和验证过：

• Ubuntu 24.04.4 LTS
• NASM
• mtools
• Bochs

建议安装命令：

sudo apt update
sudo apt install nasm mtools bochs bochs-x

运行方法

最常用的运行入口是：

./work/scripts/run.sh LEVEL4 gui

该脚本会完成以下工作：

1. 汇编 work/src/level4/level4.asm
2. 生成 work/build/LEVEL4.COM
3. 把 LEVEL4.COM 写入 work/img/pmtest.img
4. 使用 work/scripts/.bochsrc.runtime 启动 Bochs

Bochs 启动进入 FreeDOS 后，在 DOS 命令行中输入：

LEVEL4

如果要运行其他阶段，把 LEVEL4 替换为 LEVEL1、LEVEL2 或 LEVEL3 即可：

./work/scripts/run.sh LEVEL1 gui
./work/scripts/run.sh LEVEL2 gui
./work/scripts/run.sh LEVEL3 gui
./work/scripts/run.sh LEVEL4 gui

运行时应观察的现象

执行 LEVEL4 后，首先应看到保护模式提示信息 It is Protect Mode now. 和内存检测结果。如果程序在这一步就死机、重启或返回 DOS，通常说明保护模式初始化、IDT、分页或中断配置存在问题。

初始化完成后，应重点观察屏幕同一位置会反复显示不同字符串，而不是在不同位置同时输出。正常情况下会周期性显示 HUST、MRSU、DIONYSUS 和 HELLO。

更关键的现象是 4 个字符串出现频率不同。由于当前优先级权重为 4:3:2:1，所以正常效果应当是 HUST 最常出现，MRSU 次之，DIONYSUS 再次，HELLO 最少。这一现象说明时钟中断调度和多任务切换已经按优先数策略生效。

如果屏幕出现 ! 并停住，说明程序进入了异常处理流程，应优先检查中断返回路径、TSS 配置和页表映射。

手工构建

如果不使用脚本，也可以手工构建并写入镜像：

cd work/src/level4
nasm level4.asm -o ../../build/LEVEL4.COM
cd ../../..
mcopy -o -i work/img/pmtest.img work/build/LEVEL4.COM "::LEVEL4.COM"
bochs -q -f work/scripts/.bochsrc.runtime

Bochs 配置说明

当前项目默认使用 legacy BIOS，否则某些环境下会出现启动不稳定的问题：

romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-legacy

图形模式配置文件为：

• work/scripts/.bochsrc.runtime

无界面模式配置文件为：

• work/scripts/.bochsrc.headless

需要注意，当前仓库中的 headless 配置使用的是 display_library: rfb。如果本机端口或显示后端不可用，Bochs 可能无法启动，此时优先使用 gui 模式，或者自行修改 Bochs 显示后端配置。

参考资料

• docs/guide.pdf：课程设计任务书
• docs/task1_level4.asm：四任务参考框架
• docs/level4_report.md：实验报告草稿和设计说明
• vendor/yuyuan/：于渊配套样例与镜像资源

说明

仓库中的 docs/ 和 vendor/ 目录既包含当前实现依赖的资料，也保留了一些开发过程中的参考代码和历史版本。最终展示和提交时，建议以 work/src/level4/level4.asm 为准。