实验五:Linux操作系统是如何工作的?
学号:SA1****369
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
首先要整明白的一个问题是什么是存储程序计算机?其实存储程序计算机正是冯.诺依曼最初提出的计算机体系模型,现在我们一提到冯.诺依曼体系结构首先会想到的应该是包含输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器组成的经典模型,但是这里我们强调的存储程序计算机的主要特征实际上并非如此,存储程序计算机的概念相当于是褪去现代计算机华丽的外衣,所呈现出来的实实在在的计算机的本质。主要由处理器和存储器组成,中间以总线相连。
CPU通过总线从存储器中读取指令和数据进行处理,采用的主要机制是函数调用推栈机制。在不发生中断、异常以及系统调用的过程中,每个进程的执行都符合函数调用堆栈机制。
接下来说说堆栈机制。具体的函数调用堆栈机制,在我之前的博文中已经详细阐述,具体见实验一 计算机是怎样工作的 SA*****369 张*铭 。
PS:另外也可参阅C函数调用机制(x86的linux环境下)
中断机制是现代操作系统的特征所在,即这是区分操作系统是否为现代操作系统的一个重要依据,也是现代操作系统能够实现多任务的一个重要因素。我们可以将硬件中断(即外围设备产生的中断)与软中断(即系统调用)共同称为中断。CPU在运行一个进程的过程中,接受到一个中断信号,则CPU会停下正在执行的任务,转而去处理相应的中断服务例程。每个不同的中断都对应着一个相应的中断服务处理程序。
简述操作系统(内核)是如何工作
参考材料:
Linux操作系统学习_用户态与内核态之切换过程
linux2.6.29 swtich_to 详细分析
在我的上一篇博文Linux操作系统学习_用户态与内核态之切换过程中,我已经详细介绍了Linux操作系统中为什么要分为用户态和内核态两种状态,以及用户态和内核态的区别。同时也从虚拟地址空间的角度阐述了内核空间与用户空间的概念,更是由此引出了内核栈与用户栈的概念及区别。在操作系统工作的过程中,大多数时间都是运行在用户态下。只有当用户态下的程序发生了系统调用,或者当进程在用户态下执行时发生了硬件中断,再或者当进程执行在用户态下时,发生了异常,这些情况下,系统都会发生用户态和内核态之间的切换,即由用户态切换到内核态。
下面简要的叙述一下操作系统的工作机制。首先一个进程,这里我们假设为A,运行在用户态下,此时产生了中断,这时需要调用操作系统内核态下的中断处理函数来对中断进行处理,因此,这时就会发生用户态和内核态之间的切换,将进程由运行于用户态切换到运行于内核态。具体详细的过程,前一篇博文中已经介绍了。在这一过程中,首先将esp寄存器的值指向内核空间的内核栈,将eip寄存器指向中断处理程序的入口地址,即中断处理程序的第一条指令。然后,将进程A用户态下的用户栈的esp值和eip值入栈。(可能有人会在这里产生疑惑,esp和eip的值都已经改变了,怎么还要将用户态下的值入栈呢?另外一个疑问就是,你怎么知道是压入到内核栈。对于第一个问题,关键在于TSS,虽然在之前将esp和eip的值都改变了,但是TSS中仍保存着用户态下的各个寄存器的信息,因此,将TSS中的esp和eip的信息入栈,即是将用户态下的用户栈的信息入栈,实际上是对进程前一状态进行保存,以便中断返回后可以继续正确的执行之前正在执行的任务。第二个问题其实很简单,因为第一步中已经将esp指向了内核栈的栈顶,而我们知道,每次由用户态切换到内核态时,内核栈都是空的,因此内核栈的栈顶和栈底实际上是一个地址,因此我们可以确定是压入到了内核栈)。然后将之前在用户态运行的应用程序的eflags,cs等寄存器的内容压入到内核栈中。然后调用SAVE_ALL宏来将其他所有的寄存器信息入栈保存。由于此时cs、eip已经指向了中断处理程序,因此,开始执行中断处理程序,对中断进行处理。当中断处理程序执行完毕后,会判断是否需要进行进程调度,若是需要,则调用schedule函数,然后在schedule中会调用switch_to宏,在switch_to宏中又会调用_switch_to函数来进行进程调度。具体的switch_to函数的原理,见上面的参考资料。
当进程需要从内核态返回到用户态时,主要是对前面所进行过的所有改变的一种恢复,首先调用restore_all来将eax、ebx等寄存器保存于内核栈中的值出栈,然后调用iret来恢复其他寄存器的状态,可以看出,iret是与SAVE_ALL相反的过程。总体来说,restore_all和iret都是在恢复之前由用户态切换到内核态时,各个寄存器的状态的变化。到此,我们的系统又由运行于内核态切换到了用户态。