Linux操作系统是如何工作的

一、操作系统工作的基础

　　操作系统虽然极其庞大和复杂，但是它的核心思想却非常简单明了，其实它的运作只依赖于三个基本的概念：存储程序计算机、堆栈（函数调用堆栈）机制和中断机制。

1. 存储程序计算机

　　存储程序计算机就是冯·诺伊曼结构，它的核心思想就是把指令当做数据存储起来，这样的话，就不是用硬件来实现程序（以前实现不同的程序要把不同的硬件拼来拼去），从而从根本上改善了计算机的灵活性，使得计算机可以很容易地改变其程序，并在程序控制下改变其运算内容。有了这种体系结构，就可以把程序的指令存到存储器中，然后运算单元就可以从存储器中取指令，然后执行。这就达到了基本的运算的目的，并可以在一台机器上方便地执行多种程序。

2. 堆栈（函数调用堆栈）

　　能够把指令存起来，取出来，然后执行，还是不够的，因为计算的时候还需要存储很多临时的数据，这些数据中，很多并不会在整个程序的运行期一直需要，而是会随着程序的运行，动态地生成，并且稍后就可以被销毁，永不再用，所以这样的话就还需要一个动态地管理临时数据的机制，这个机制就是堆栈（函数调用堆栈）。堆是一个长期存放数据的地方，而栈则是随着函数的调用动态地变化的地方。程序员把程序分成若干个函数，函数内部的数据是随着函数的调用和返回动态地生成和销毁的（放在栈上），而函数外的数据则放在堆上，不随函数的调用自动变化。这样，计算机就提供了一种灵活地存储计算时中间结果和临时数据的机制，可以在运行时重复利用存储器资源，去完成更复杂的计算。

3. 中断机制

　　有了上面两个功能，基本的执行程序的能力就有了，也就是你把数据和程序放到存储器上，然后CPU就可以去存储器上取指令，并且根据指令去动态地操纵数据，或者改变程序的执行路径。但是，这还不够方便，因为给了CPU一个程序以后，它只能一股脑地顺着程序的指令走，没有任何办法让它动态地跟其他设备交互，如果有人想让它稍微停一下看看它的运行状态，那就办不到了。又或者CPU要跟某个速度很慢的设备交互，当前情况下，它只能串行地去跟设备交互，设备运行期间，CPU要等着，等设备运行好了，再通知CPU。这不仅效率极低，而且很多需要跟外设并发执行的程序都没办法执行。于是，就有了强大的中断机制，可以打断CPU当前程序的执行，让它去执行一下别的任务，然后再回来。这样一来，计算机的灵活性又大大提高了一节。

　　OK，有了上面的三个基本条件，一个可以变更程序的、可以管理运行时的数据的、并且可以异步地与外设交互的计算机就有了。现在，即使没有操作系统，它也能比较高效地完成一个任务了。不过要注意，现在它还只能运行一个任务，要想让它并发地执行多个任务，并且比较高效地协调这些任务，那还需要操作系统的帮忙。

单任务软件的典型架构：

int main(int argc, char* argv[]) 
{ 
    while (1) 
    { 
        if (serialInt == 1) 
        /*有串口中断*/ 
        { 
            ProcessSerialInt(); /*处理串口中断*/ 
            serialInt = 0; /*中断标志变量清零*/ 
        } 
        if (keyInt == 1) 
        /*有按键中断*/ 
        { 
            ProcessKeyInt(); /*处理按键中断*/ 
            keyInt = 0; /*中断标志变量清零*/ 
        } 
        status = CheckXXX(); 
        switch (status) 
        { 
            ... 
        } 
        ... 
    } 
} 
            

二、操作系统是如何工作的

　　有了上述基础，我们就可以让计算机来运行一个操作系统了。有了操作系统，我们就可以在计算机上同时运行大批的程序，并且操作系统会帮我们比较高效、安全地管理这些程序。具体来说，当计算机的硬件基本初始化好，可以运行一个程序的时候，就运行start_kernel，完成操作系统本身的初始化，并且最后会启动一个init进程，今后所有用户想要执行的程序，都直接或间接地从这个init进程派生而来。

　　当用户的进程在执行的时候，如果来了一个中断，那么就会进入内核态，先把它的esp和eip存入内核栈，然后SAVE_ALL把CPU的一些寄存器存入内核栈，然后就进行中断处理，中断处理的最后会调用switch_to宏，切换到另一个进程继续执行。新执行的程序会接着从它上一次被switch_to切换出去的地方继续执行，很可能是restore_all和iret，也就是从内核态切换出来，在用户态继续执行用户程序。我们的计算机在运行的时候，就是如此不断往复的一个流程。

三、参考资料

维基百科：冯诺依曼结构http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%86%AF%C2%B7%E8%AF%BA%E4%BC%8A%E6%9B%BC%E7%BB%93%E6%9E%84

《LINUX 设备驱动开发详解》作者：华清远见 http://download.farsight.com.cn/download/ebooks/Farsight10-LinuxDriver-01.pdf