深入理解计算机

                                                                          深入理解计算机

                                                                                                         20135109 高艺桐

                                                                                                        《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 

一、计算机是如何工作的

1、1 计算机的三个法宝

存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制。

堆栈是C语言程序运行时必须记录调用路径和参数的空间。（函数调用框架、传递参数、保存返回地址、提供局部变量空间）

1、2 深入理解函数堆栈

（1）push栈顶减少4个字节

pop栈顶增加4个字节

ebp在C语言中用作记录当前函数调用基址

（2）其他关键寄存器

 

（3）函数堆栈框架

 

        

1、3 参数传递与局部变量

（1） 生成反汇编代码

（2）分析语句示例

sub &0x18，%esp在堆栈中预留出空间存储变量    

  

二、借助Linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作模型及时钟中断

2、1 mykernel实验背后涉及的思想

一个 程序有一个自己的执行流，如何切换到另一个程序？

  由CPU和内核代码共同实现了保护现场和恢复现场，当中断信号发生，cpu把当前信号的esp、ebp压到内核堆栈中去，把eip指向中断处理程序的入口。

2、2 利用mykernel实验模拟计算机硬件平台

 （1）利用实验楼的平台搭建

 

自己实验截图：

    

 三、在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核

3、1 C代码中嵌入汇编代码的写法

  

汇编代码模板

3、2操作系统内核源代码的分析

首先是mypcb.c代码：

 

这个代码的目的是定义一个进程控制块。先定义了一个Thread来存储ip和sp,也就是用于eip和esp的保存。PCB中定义了进程管理相关的数据结构。最后的函数my_schedule表示的是调度器。

 接下来是mymain.c代码：

 

先是include mypcb。声明了一个数组task，然后声明了当前task的一个指针，第20行处定义了一个标志，用来判断是否需要调度。然后定义了一个函数my_process。

 

my_start_kernel函数中先初始化一个进程0，第32行为定义进程0的入口为my_process，因为一开始系统里只有进程0，所以第34行代码表示的是pid的next还是指向自己。接下来就创建更多其他的进程，在初始化这些进程的时候可以直接把0号进程的代码拷贝过来，第41行表示每个进程都有自己的堆栈，然后把创建好的新进程放到进程列表的尾部，这样就完成了创建。

创建好了之后就可以开始执行0号进程，第48行处到之后的几行代码表示的是一段嵌入式汇编代码。其中的%0表示的是参数thread.ip，%1表示的是参数thread.sp。第49行表示的就是把参数thread.sp放到esp中；接下来push %1，又因为当前栈为空，esp=ebp，所以等价于push ebp；然后push thread.ip；ret等价于pop thread.ip；最后pop ebp。

ret之后0号进程就正式启动了。

 函数my_process定义所有进程的工作。这个函数里面定义了一个循环，if语句表示循环1000万次才有机会判断是否需要调度。这是一个主动调度的机制。

最后是myinterrupt.c的代码：

 

接着是一个函数my_timer_handler，用于设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志。当时钟中断发生1000次，并且my_need_sched!=1时，把my_need_sched赋为1。因为当进程发现my_need_sched=1时，就会执行my_schedule。

 

If语句表示task为空，即发生错误时返回。第52行开始介绍my_scheduel的工作，先把当前进程的下一个进程赋给next，当前进程为prev。

第54行表示如果下一个进程的状态是正在执行的话，就运用if语句中的代码表示的方法来切换进程，这些代码为嵌入式汇编代码，与mymain.c代码中的相似。

%0表示prev->thread.sp，%1表示prev->thread.ip，%2表示next->thread.sp，%3表示next->thread.ip。push ebp为保存当前进程的ebp；然后保存当前进程的esp；把下一个进程的sp放到esp中；接下来保存eip，$1表示后面的标号1：的位置；然后把下一个进程的eip push到栈里面。

ret之后下一个进程就开始执行了。这是进程切换的关键代码。

 

与上一段代码不同的是如果下一个进程为新进程时，就运用else中的这一段代码。首先将这个进程置为运行时状态，将这个进程作为当前正在执行的进程。

 四、实验总结

  通过了本周的学习，我学习到了操作系统是如何进行工作的，和简单的时间片轮转多道程序内核代码。操作系统利用存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制进行工作，又由CPU和内核代码共同实现了保护现场和恢复现场，当中断信号发生，cpu把当前信号的esp、ebp压到内核堆栈中去，把eip指向中断处理程序的入口。操作系统的两把剑：中段上下文和进程上下文的切换。简单的时间片轮转多道程序内核代码虽然理解起来很困难，但还是通过反复看视频进行了理解和初步的掌握，总之本周的收获良多。