2019-2020-1 20199304《Linux内核原理与分析》第三周作业
1.操作系统是如何工作的？
计算机三个法宝（3个关键性的方法机制）：
存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制。
1.1堆栈：
在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，堆栈是一种数据结构。堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
1.1.1堆栈作用
-记录函数调用框架
-传递函数参数
-保存返回值的地址
-提供函数内部局部变量的存储空间
1.1.2堆栈的特性：
最后一个放入堆栈中的物体总是被最先拿出来， 这个特性通常称为后进先出(LIFO)队列。 堆栈中定义了一些操作。 两个最重要的是PUSH和POP。 PUSH操作在堆栈的顶部加入一 个元素。POP操作相反， 在堆栈顶部移去一个元素， 并将堆栈的大小减一。
1.2中断
中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
1.2.1中断分类
-硬件中断（Hardware Interrupt）
-可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
-非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。
-处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
-伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。
-软件中断（Software Interrupt）
-软件中断。是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。
1.2.2中断作用
-提高计算机系统效率。计算机系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时，由外围设备向处理机发出中断请求，处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时，处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态。
-维持系统可靠正常工作。现代计算机中，程序员不能直接干预和操纵机器，必须通过中断系统向操作系统发出请求，由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中，如出现越界访问，有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生，由存储管理部件进行监测，一旦发生越界访问，向处理机发出中断请求，处理机立即采取保护措施。
-满足实时处理要求。在实时系统中，各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求，处理机随时响应并进行处理。
-提供故障现场处理手段。处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件，一旦发现故障或错误，立即发出中断请求，进行故障现场记录和隔离，为进一步处理提供必要的依据。
2.实验
2.1实验内容：
完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
-根据老师指导按照实验步骤，在实验楼环境下打开shell：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
然后 cd mykernel
看到mymain.c和myinterrupt.c.
mymain.c代码如下：
myinterrupt.c代码如下：
下面是一个简单的时间片轮转多道程序内核代码。
mypcb.h
define MAX_TASK_NUM 4
define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry;
struct PCB *next;
}tPCB;
void my_schedule(void);
定义一个进程控制块pcb结构体
task_entry：进程入口函数
thread：保存eip和esp
state：进程状态，用于判断是否调度
其中的内嵌汇编代码为核心：
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
- "ret\n\t" /* restore eip */
-
"=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
-
"m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
- "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */
-
"=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
-
"m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
3.对操作系统是如何工作的学习理解。
Linux将内核程序和基于之上的用户程序分开处理，分别运行在用户态和内核态。当一个程序在用户态执行时，它不能直接访问内核数据结构或内核的程序。然而，当应用程序在内核态下运行时，这些限制就不再有效。在一个程序执行时，大部分时间都处在用户态下，只有需要内核所提供的服务时才切换到内核态。当内核满足了用户程序的请求后，它让程序又回到用户台下。
进程是动态的实体，内核是进程的管理者。在单处理系统中，任何时候只有一个进程在运行，它要么处于用户态，要么处于内核态。稍后我们会分析用户态与内核态之间的转换。
然而在linux内核是可重入的，这意味着若干个进程可以同时在内核态下执行。当然，在单处理系统上只有一个进程在真正运行，但是有许多进程可能在等待CPU或某一I/O操作完成时在内核态下被阻塞。例如，当内核代表某一进程发出一个读磁盘请求后，就让磁盘控制器处理这个请求并且恢复执行其它进程。当设备满足了读请求时，有一个中断就会通知内核，从而恢复以前的进程继续执行。
