2019-2020-1 20199301《Linux内核原理与分析》第三周作业

操作系统是如何工作的

本章目标是在mykernel的基础上编写一个简单的内核

一、学习笔记

1.计算机的三个法宝：a.存储程序计算机；b.函数调用堆栈；c.中断

• 存储程序计算机（所有计算机的基础性的逻辑框架）；
• 函数调用堆栈（C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间）；
  • 堆栈具体的作用：
    • 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
  • 堆栈相关的寄存器：
    • ESP：堆栈指针
    • EBP：基址指针
  • 堆栈操作：
    • push：栈顶地址减少4个字节，并将操作数放进栈顶存储单元
    • pop：栈顶地址增加4个字节，并将栈顶存储单元的内容放入操作数
  • 其他关键寄存器：
    - CS:EIP：总是指向地址连续的下一条指令
    - 跳转/分支：执行这样的命令时，CS:EIP的值会根据程序需要被修改
    - call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
    - ret：从栈顶弹出原来保存在这里CS:EIP的值，放入CS:EIP中
    
    - 堆栈特别关键的就是函数调用堆栈框架
    

二、实验

• LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel目录下可以看到qemu窗口
  • 代码

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

- QEMU窗口

- 查看mymain.c

每循环10 000次，打印一句话。

- 查看myinterrupt.c

每执行一次，都会执行一次时钟中断。

下面是简单的时间片轮转机制内核代码：

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

mymain.c

主要功能是让程序从0号进程开始运行,只列下面这段代码是核心。

asm volatile(

//%0表示参数thread.ip，%1表示参数thread.sp。

"movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp 把参数thread.sp放到esp中*/

"pushl %1\n\t"    /* push ebp 由于当前栈是空的，esp与ebp指向相同，所以等价于push ebp*/

"pushl %0\n\t"     /* push task[pid].thread.ip */

"ret\n\t"     /* pop task[pid].thread.ip to eip */

"popl %%ebp\n\t"

:

: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)     /* input c or d mean %ecx/%edx*/

); 

myinterrupt.c

主要功能是用于时钟中断处理和进程调度算法。

asm volatile(

"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp 保存当前进程的ebp*/

"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp 把当前进程的esp赋给%0（指的是thread.sp），即保存当前进程的esp*/

"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp 把%2（指下一个进程的sp）放入esp中*/

"movl $1f,%1\n\t" /* save eip $1f是接下来的标号“1：”的位置，把eip保存下来*/

"pushl %3\n\t" /*把下一个进程eip压栈*/

"ret\n\t" /* restore eip 下一个进程开始执行*/

"1:\t" /* next process start here */

"popl %%ebp\n\t"

: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)

: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)

);

三、总结

（1）进程和中断在操作系统是是非常重要的两个部分，需要熟练掌握。
（2）EIP寄存器储存着当前执行的代码，可以通过更改EIP寄存器的值来更改当前执行的代码，从而实现进程切换。出于安全考虑，EIP寄存器的值不能被直接改变，但可以通过压栈+ret指令来间接改变。
（3）进程在执行过程中,当时间片用完之后需要进程切换时,需要保存当前的执行上下文环境,下次被调度的时候,需要回复进程的上下文环境。

操作系统是如何工作的？

操作系统通过存储程序计算机机制依次执行程序的指令，堆栈为程序运行时录调用路径和参数提供空间，中断用于异常处理和进程调度。