实验五：Linux操作系统是如何工作的？破解操作系统的奥秘
SA*****160 *丰
实验内容：
1.操作系统工作的基础：存储程序计算机、堆栈（函数调用堆栈）机制和中断机制；
2.在操作系统工作的基础之上，请您简述操作系统（内核）是如何工作，宏观概述结合关键点的
微观（CS:EIP、EBP/ESP等的变化）分析。
3.完成500字左右的一段总结文字（务必是自己写的），附上学习研究笔记，另外请大家养成尊
重知识产权的习惯引用或参考别人的资料注明出处URL。
4.实验报告以博客URL方式提交
5.请于本周四实验课前提交，最迟提交日期6月30日24:00.
实验过程：
1.存储程序计算机、堆栈（函数调用堆栈）机制和中断机制
1.1存储程序计算机
存储程序计算机最早是由著名数学家冯·诺伊曼等人在1946年总结并明确提出来的，因此又被称为冯·诺伊曼计算机。
存储程序计算机在体系结构上主要特点有：
a.以运算单元为中心
b.采用存储程序原理
c.存储器是按地址访问、线性编址的空间
d.控制流由指令流产生
c.指令由操作码和地址码组成
f.数据以二进制编码
操作系统其实就是一个死循环，CPU一直在执行这个循环，CS:EIP指向下一条要执行的指令。
1.2堆栈（函数调用堆栈）机制
内核在创建进程的时候，在创建task_struct的同时，会为进程创建相应的堆栈。每个进程会有两个栈，
一个用户栈，存在于用户空间，一个内核栈，存在于内核空间。当进程在用户空间运行时，cpu堆栈指
针寄存器里面的内容是用户堆栈地址，使用用户栈；当进程在内核空间时，cpu堆栈指针寄存器里面的
内容是内核栈空间地址，使用内核栈。
具体请参考我的另一篇博文：计算机是怎样工作的
1.3中断机制
中断是CPU的一个功能，就是CPU停下当前的工作，转到中断信号指向的特定工作，同时CPU的控制权发生变化。
存储程序计算机通过函数调用堆栈来工作，而中断的出现使多线程成为可能。中断分为：I/O中断、时钟中断、系
统调用。
中断产生后，由用户态转到内核态，由用户堆栈切换到内核堆栈。
具体请参考我的另一篇博文：中断、异常和系统调用的关系
2.操作系统（内核）是如何工作，宏观概述结合关键点的微观（CS:EIP、EBP/ESP等的变化）分析
2.1内核是由什么组成的
a.内核线程（进程）--> 软中断、tasklet、工作队列
b.系统调用（中断处理程序）
c.中断处理程序（内核执行的控制路径，eg：I/O中断和时钟中断）
其中b和c是内核的控制路径；CPU和内核都是所有进程共享的。
2.2内核工作过程分析
2.2.1下边以时钟中断为例，讲述操作系统内核的工作过程，如下图所示：
单核CPU计算机工作其实是串行的，即每时刻只能执行一个程序，如果我们要“同时”执行多个程序，就要一种机制来切换程序（进程），
使每个进程都能占用CPU，这种机制就是中断和进程调度。
while(1)
{
执行指令;
修改CS:IP使其指向下一条将要执行的指令;
}
操作系统内核就是个死循环，等着被中断。如果没有任务时就执行系统设定好的进程。
1.如果现在一个进程A处于运行状态，esp指向A用户栈，eip指向进程A的下一条将要执行的指令；
2.此时发生时钟中断，CPU找到中断处理总程序的入口处（此地址由CPU厂商指定，而中断处理总程
序由操作系统厂商编写；此过程修改esp使其指向内核栈，修改eip指向中断处理总程序入口处）；
3.陷入内核态，保存原来的esp、eip等相关信息到内核栈（需要借助记录CPU状态的TSS），save_all保护现场（也是保存到内核的堆栈）；
4.处理中断子程序（进程调度），此过程由于进程调度，切换将要执行进程B的内核栈；
5.restore_all恢复现场，恢复esp的值，使其切换到用户栈；同时iret恢复cs:eip，切换到用户态，执行B程序
关于save_all、restore_all和iret请参考我的另一篇博文：中断处理中的save_all、restore_all和iret
2.2.2以系统调用为例分析内核工作过程
fork和exec系统调用最终都是通过int 0x80软中断 + EAX寄存器（存储对应的系统调用号）进入内核，在内核中fork和exec对应找到
sys_fork/do_fork和sys_exec/do_exec。do_fork主要的工作就是创建一个新进程，创建的方法是拷贝当前进程、分配新的进程pid、
插入进程相关链表队列中等。 do_exec的工作较为复杂，它的主要目标是将一个可执行程序加载到当前进程中来，返回到用户态时EIP
指向可执行程序的入口位置（即 0x08048000）。
参考资料：
