add paging functionality and tests; update GDT installation process

Author: tas0dev

Makefile

@@ -13,7 +13,7 @@ OUT_DIR    = bin
 CFLAGS     = -Wimplicit-function-declaration -ffreestanding -m32 -c -Wall -Wextra -I$(INCLUDE)
 LDFLAGS    = -m elf_i386
 NFLAGS     = -f bin
-QEMU_FLAGS = -monitor stdio -no-reboot
+QEMU_FLAGS = -monitor stdio -no-reboot -d int,guest_errors -D kernel.log
 CONSOLE    = -display curses
 
 SOURCES    = $(shell find $(SRC_KERNEL) -name "*.c")

src/boot/config.inc

@@ -1,5 +1,5 @@
 KERNEL_OFFSET EQU 0x10000       ; カーネルをロードするアドレス
-SECTOR_COUNT  EQU 30            ; 読み込むセクタの数
+SECTOR_COUNT  EQU 37            ; 読み込むセクタの数
 START_SECTOR  EQU 2             ; 開始するセクタ番号
 CYLINDER_NUM  EQU 0             ; シリンダ番号
 HEAD_NUM      EQU 0             ; ヘッド番号

src/include/mem/paging.h

@@ -0,0 +1,7 @@
+#ifndef _MEM_PAGING_H
+#define _MEM_PAGING_H
+
+void paging_init_identity(uint32_t map_mb);
+void paging_enable(void);
+
+#endif /* _MEM_PAGING_H */

src/include/mem/segment.h

@@ -1,6 +1,10 @@
 #ifndef _MEM_SEGMENT_H
 #define _MEM_SEGMENT_H
 
+void gdt_build();
 void gdt_install();
+void gdt_dump();
+void gdt_install_lgdt();
+void gdt_install_jump();
 
 #endif /* _MEM_SEGMENT_H */

src/include/tests/define.h

@@ -2,7 +2,7 @@
 #define _TESTS_CONFIG_H
 
 // テストを実行するかどうか
-//#define TEST_TRUE
+#define TEST_TRUE
 
 #ifdef TEST_TRUE
 // メモリマップとメモリのテスト
@@ -15,6 +15,8 @@
 #define ALLOC_IRQ_TEST
 // GDT（セグメント）再構築テスト
 #define GDT_TEST
+// ページングのテスト
+#define PAGING_TEST
 
 /* -------- 宣言 -------- */
 #ifdef MEM_TEST
@@ -37,6 +39,10 @@ void alloc_irq_test();
 void gdt_test();
 #endif /* GDT_TEST */
 
+#ifdef PAGING_TEST
+void paging_test();
+#endif /* PAGING_TEST */
+
 #endif /* TEST_TRUE */
 
 #endif /* _TESTS_CONFIG_H */

src/kernel/interrupt/idt.c

@@ -55,6 +55,7 @@ struct idt_ptr {
 } __attribute__((packed));
 
 extern void isr_stub_table(void); /* assembly stubs */
+extern void isr14(void);
 
 #define IDT_ENTRIES 256
 static struct idt_entry idt[IDT_ENTRIES];
@@ -81,6 +82,18 @@ void irq_handler_c(uint32_t vec) {
         }
 }
 
+extern void page_fault_handler(uint32_t vec);
+
+void irq_exception_c(uint32_t vec) {
+        if (vec == 14) {
+                page_fault_handler(vec);
+        } else {
+                /* other exceptions: just spin */
+                printk("exception vec=%u\n", (unsigned)vec);
+                while (1) {}
+        }
+}
+
 /**
  * @fn idt_init
  * @brief IDTを初期化する
@@ -106,6 +119,7 @@ void idt_init(void) {
         extern void isr46(void);
         extern void isr47(void);
 
+        idt_set_gate(14, (uint32_t)isr14); /* page fault */
         idt_set_gate(32, (uint32_t)isr32);
         idt_set_gate(33, (uint32_t)isr33);
         idt_set_gate(34, (uint32_t)isr34);

src/kernel/interrupt/irq_stubs.asm

@@ -4,9 +4,19 @@ global isr_stub_table
 isr_stub_table:
 
 extern irq_handler_c
+extern irq_exception_c
 
 global isr32
 isr32:
+global isr14
+isr14:
+        pusha
+        push dword 14
+        call irq_exception_c
+        add esp, 4
+        popa
+        iretd
+
         pusha
         push dword 32
         call irq_handler_c

src/kernel/main.c

@@ -19,7 +19,8 @@ void kloop();
  */
 void kmain() {
         console_init();
-        gdt_install();
+        gdt_build();
+        gdt_install_lgdt();
 
         printk("Welcome to Litecore kernel!\n");
         printk("    Version: %s\n", VERSION);

src/kernel/mem/gdt_install.asm

@@ -0,0 +1,36 @@
+BITS 32
+SECTION .text
+global gdt_install
+global gdt_install_lgdt
+global gdt_install_jump
+extern gp
+
+; lgdt only
+gdt_install_lgdt:
+        mov eax, gp
+        lgdt [eax]
+        ret
+
+; jump + reload data segments
+gdt_install_jump:
+        ; far return via call/pop to get offset into eax, then push selector and offset
+        call get_eip
+get_eip:
+        pop eax                ; eax = offset to next instruction
+        push word 0x08         ; push selector (16-bit)
+        push eax               ; push offset (32-bit)
+        retf
+jump_continue:
+        mov ax, 0x10
+        mov ds, ax
+        mov es, ax
+        mov fs, ax
+        mov gs, ax
+        mov ss, ax
+        ret
+
+; default wrapper: perform lgdt and then jump
+gdt_install:
+        call gdt_install_lgdt
+        call gdt_install_jump
+        ret

src/kernel/mem/paging.c

@@ -0,0 +1,57 @@
+#include <config.h>
+#include <stdint.h>
+#include <mem/paging.h>
+#include <console.h>
+#include <interrupt/irq.h>
+
+static uint32_t page_directory[1024] __attribute__((aligned(4096)));
+static uint32_t first_table[1024] __attribute__((aligned(4096)));
+
+/**
+ * @fn paging_init_identity
+ * @brief 指定されたMB数分のメモリを同一マッピングで初期化する
+ * @param map_mb マッピングするメモリ容量（MB単位）
+ */
+void paging_init_identity(uint32_t map_mb) {
+        uint32_t pages = ((map_mb * 1024u * 1024u) + 0xFFF) / 0x1000;
+
+        // 最初のテーブル: 最初の4MBを同一マッピング（1024エントリ）
+        for (uint32_t i = 0; i < 1024; ++i) {
+                first_table[i] = (i * 0x1000) | 3u; // present + rw
+        }
+
+        // ディレクトリエントリ0はfirst_tableを指す
+        page_directory[0] = ((uint32_t)first_table) | 3u;
+
+        // 残りのPDEをnot presentにする
+        for (uint32_t i = 1; i < 1024; ++i) page_directory[i] = 0x00000000;
+
+        printk("paging: identity map initialized for %u MB (pages=%u)\n", (unsigned)map_mb, (unsigned)pages);
+}
+
+/**
+ * @fn paging_enable
+ * @brief ページング機能を有効化する
+ */
+void paging_enable(void) {
+        // CR3をロード
+        asm volatile("mov %%eax, %%cr3" :: "a"((uint32_t)page_directory));
+        // CR0のPGビットを有効化
+        uint32_t cr0;
+        asm volatile("mov %%cr0, %%eax" : "=a" (cr0));
+        cr0 |= 0x80000000u; // PGビットをセット
+        asm volatile("mov %%eax, %%cr0" :: "a" (cr0));
+}
+
+/**
+ * @fn page_fault_handler
+ * @brief ページフォルト発生時のハンドラ
+ * @param vec 割り込みベクタ番号
+ */
+void page_fault_handler(uint32_t vec) {
+        (void)vec;
+        uint32_t fault_addr;
+        asm volatile ("mov %%cr2, %0" : "=r" (fault_addr));
+        printk("PAGE FAULT at 0x%x\n", (unsigned)fault_addr);
+        while (1) {}
+}