描述任务0的内核堆栈和用户堆栈是如何产生的:
1,
linux0.11系统共使用了4种堆栈:系统初始化时临时使用的堆栈;供内核程序自己使用的堆栈(内核堆栈),只有一个,位于系统
地址空间固定的位置,也就是后来任务0的用户态堆栈;每个任务通过系统调用,执行内核程序时使用的堆栈,也即任务的内核态
堆栈,每个任务都有自己独立的内核态堆栈;任务在用户态执行的堆栈,位于任务(进程)地址空间末端,即任务的用户态堆栈
2,
从head.s程序起,系统正式在保护模式下运行,此时堆栈段被设置为内核数据段(0x10),堆栈指针esp设置成指向use_stack
数组的顶端,保留1页内存作为堆栈使用。head.s L23:lss _stack_start,%esp,_stack_start为指向结构体变量stack_
start的指针。
stack_start定义在sched.c L69 ~ L72:
struct {
long * a;
short b;
} stack_start = { & user_stack [PAGE_SIZE>>2] , 0x10 };
故lss _stack_start,%esp的作用:0x10 -> ss,& user_stack [PAGE_SIZE>>2] -> esp。
head.s中执行完下列指令: L18 ~ L23
movl $0x10,%eax
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov %ax,%fs
mov %ax,%gs
lss _stack_start,%esp
执行完上述指令后,将ds,es,fs,gs,ss设置成0x10,esp设置成& user_stack [PAGE_SIZE>>2],此时供内核程序自己使用
的堆栈 -- 内核堆栈设置完成:ss:esp。
任务0的定义在sched.c L58:static union task_union init_task = {INIT_TASK,};
任务0的值的定义在sched.h L113 ~ L134:
1 #define INIT_TASK \
2 /* state etc */ { 0 , 15 , 15 , \
3 /* signals */ 0 ,{{},}, 0 , \
4 /* ec,brk... */ 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , \
5 /* pid etc.. */ 0 ,- 1 , 0 , 0 , 0 , \
6 /* uid etc */ 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , \
7 /* alarm */ 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , \
8 /* math */ 0 , \
9 /* fs info */ - 1 , 0022 ,NULL,NULL,NULL, 0 , \
10 /* filp */ {NULL,}, \
11 { \
12 { 0 , 0 }, \
13 /* ldt */ {0x9f,0xc0fa00}, \
14 {0x9f,0xc0f200}, \
15 }, \
16 /*tss*/ { 0 ,PAGE_SIZE+(long)&init_task,0x10, 0 , 0 , 0 , 0 ,(long)&pg_dir,\
17 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , \
18 0 , 0 ,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17, \
19 _LDT( 0 ),0x80000000, \
20 {} \
21 }, \
22 }
其中任务0的ldt中的代码段,数据段均定义为基址0,段限长640KB,而GDT中的内核代码段,数据段均定义为基址0,段长16MB
(a):任务0的0x10 -> ss0,PAGE_SIZE+(long)&init_task -> esp0;
(b):内核堆栈 0x10 -> ss,& user_stack [PAGE_SIZE>>2] -> esp;
3,
内核程序通过执行move_to_user_mode宏把自己“手工”移动到任务0(进程0)中运行,内核初始化程序main.c就是任务0
的代码,只是在移动到任务0之前系统正以内核态特权级0运行着main.c,宏move_to_user_mode的功能就是把运行特权级从
内核态的0级变换到用户态的3级,但是仍然继续执行原来的代码指令流。
move_to_user_mode定义在 system.h L1 ~ L14:
1 #define move_to_user_mode() \
2 __asm__ ( " movl %%esp,%%eax\n\t " \
3 " pushl $0x17\n\t " \
4 " pushl %%eax\n\t " \
5 " pushfl\n\t " \
6 " pushl $0x0f\n\t " \
7 " pushl $1f\n\t " \
8 " iret\n " \
9 " 1:\tmovl $0x17,%%eax\n\t " \
10 " movw %%ax,%%ds\n\t " \
11 " movw %%ax,%%es\n\t " \
12 " movw %%ax,%%fs\n\t " \
13 " movw %%ax,%%gs " \
14 ::: " ax " )
宏move_to_user_mode使用了中断返回指令造成特权级改变的方法,该方法的主要思想:
在堆栈中构筑中断返回指令需要的内容,把返回地址的段选择符设置称任务0代码段选择符,其特权级为3。此后执行中断
返回指令iret时将导致系统CPU从特权级0跳转到外层的特权级3上运行。
宏move_to_user_mode的指令执行过程分析:
首先往内核堆栈中压入任务0数据段选择符(作为任务0的SS段选择符)和内核堆栈指针,然后压入标志寄存器内容,最后
压入任务0代码段选择符和执行中断返回后需要执行的下一条指令的偏移位置(该偏移位置是iret后的下一条指令处)。
当执行iret指令时,CPU把返回地址送入CS:EIP中,同时弹出堆栈中标志寄存器内容。由于CPU判断目的代码段的特权级
为3,与当前内核态的0级不同,于是CPU会把堆栈中的堆栈段选择符和堆栈指针弹出到SS:ESP中。由于特权级发生了变化,
段寄存器DS,ES,FS,GS的值变得无效,此时CPU会把这些段寄存器清零,因此在执行了iret指令后要重新加载这些段寄存器。
此后,系统就开始以特权级3运行在任务0的代码上,所使用的用户态堆栈还是原来在移动之前使用的堆栈(任务0的用户态
堆栈为内核程序自己使用的内核堆栈即2中的(b))。而其内核态堆栈则被指定为其任务数据结构所在页的顶端开始(任务0
的内核态堆栈为2中的(a))。
另附:
1, 关于任务0的PAGE_SIZE+(long)&init_task -> esp0:
(long)&init_task:指向存放任务0数据结构的一页页面的首地址(因为任务数据结构存放在一个页面的最前面),加上
PAGE_SIZE(4096),刚好使得PAGE_SIZE+(long)&init_task指向存放任务0数据结构页面的最末端,将其赋给
esp0,这样刚进入任务0的内核态时的栈顶指针即指向存放任务0数据结构的页面的最末段。
2, 关于内核程序自己使用的堆栈--内核堆栈,参考下图: