课程学习总结报告

Posted 2020-12-16 sa346-asclin

报告要求：

       请您根据本课程所学内容总结梳理出一个精简的Linux系统概念模型，最大程度统摄整顿本课程及相关的知识信息，模型应该是逻辑上可以运转的、自洽的，并举例某一两个具体例子（比如读写文件、分配内存、使用I/O驱动某个硬件等）纳入模型中验证模型。谈谈您对课程的心得体会，改进建议等。

一、Linux系统基础结构

精简的Linux系统概念模型：Linux系统从应用角度来看，分为内核空间和用户空间两个部分。内核空间是Linux操作系统的主要部分，但是仅有内核的操作系统是不能完成用户任务的。

 

用户态与内核态

内核空间和用户空间是操作系统理论的基础之一，即内核功能模块运行在内核空间，而应用程序运行在用户空间。现代的CPU都具有不同的操作模式，代表不同的级别，不同的级别具有不同的功能，在较低的级别中将禁止某些操作。Linux系统设计时利用了这种硬件特性，使用了两个级别，最高级别和最低级别，内核运行在最高级别（内核态），这个级别可以进行所有操作，而应用程序运行在较低级别（用户态），在这个级别，处理器控制着对硬件的直接访问以及对内存的非授权访问。内核态和用户态有自己的内存映射，即自己的地址空间。

通过系统调用，用户空间的应用程序就会进入内核空间，由内核代表该进程运行于内核空间，这就涉及到上下文的切换，用户空间和内核空间具有不同的地址映射，通用或专用的寄存器组，而用户空间的进程要传递很多变量、参数给内核，内核也要保存用户进程的一些寄存器、变量等，以便系统调用结束后回到用户空间继续执行，所谓的进程上下文，就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。

 

 

 

 

二、进程管理

进程实际是某特定应用程序的一个运行实体。在 Linux  系统中，能够同时运行多个进程，Linux  通过在短的时间间隔内轮流运行这些进程而实现“多任务”。这一短的时间间隔称为“时间片”，让进程轮流运行的方法称为“进程调度”。

一个进程的上下文(context)包括进程的状态、有关变量和数据结构的值、机器寄存器的值和PCB以及有关程序、数据等。

一个进程的执行是在进程的上下文中执行。

当正在执行的进程由于某种原因要让出处理机时，系统要做进程上下文切换，以使另一个进程得以执行。

进程控制块PCB是名字为struct task_struct的数据结构，它称为任务结构体，为了很好地描述一个进程地各个信息，其内部包含的数据非常多，通过下面的示意图可以从整体上看清内部结构关系。

 

进程的状态

Linux主要有五中进程状态，分别是运行态、可运行态（就绪态）、等待态、暂停态和僵死态，各个状态的转换关系如下图所示：

 

 

 

三、中断管理

中断分外部中断（硬件中断）和内部中断（软件中断）。内部中断?称为异常（Exception），异常?分为故障（fault）和陷阱（trap）。中断（广义）会改变处理器执行指令的顺序，通常与CPU芯片内部或外部硬件电路产生的电信号相对应。中断是异步的：由硬件随机产生，在程序执行的任何时候可能出现；异常是同步的：在（特殊的或出错的）指令执行时由CPU控制单元产生。

　　　　系统调用作为一种特殊的中断，就是利?陷阱（trap）这种软件中断?式主动从?户态进?内核态的。

　　　　中断的处理过程：

　　　　（1）确定中断向量；

　　　　（2）利用中断向量在IDT中找到对应中断门，在中断门中得到段选择符从而可以从GDT中找到中断服务例程的段基址；

　　　　（3）确定中断发生的特权级合法（linux只有内核态和用户态两种特权级，此步用来检查中断程序的特权是否低于引起中断的程序的特权，低优先级程序不能引起高优先级程序）；

　　　　（4）检查是否发生特权级变化（用户态陷入内核态，这时候需要设置内核的堆栈），如果发生读取当前程序的tss段（通过tr寄存器读取）来选择新特权级的ss和esp指针，然后保存旧的ss和esp指针；

　　　　（5）若发生的是故障，用引起异常的指令地址修改cs和eip寄存器的值，以使得这条指令在异常处理结束后能被再次执行；

　　　　（6）在栈中保存eflags、cs和eip的内容；

　　　　（7）如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中；

　　　　（8）装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量字段。这对寄存器值给出中断或者异常处理程序的第一条指定的逻辑地址。

 

 

 

四、文件系统

理解文件系统主要分为三层

第一层为文件系统接口层，如open、write、close等系统调用接口。

第二层为VFS (Virtual File System)接口层。该层有两个接口：一个是与用户的接口；一个是与特定文件系统的接口。VFS与用户的接口将所有对文件的操作定向到相应的特定文件系统函数上。VFS与特定文件系统的接口主要是通过vfs-operations来实现的。

第三层是具体文件系统层，提供具体文件系统的结构和实现，包括网络文件系统，如NFS (network file system)。

 

五、总结

通过一个学期的学习，对linux操作系统底层原理有了更加深刻的理解，在孟老师和李老师的讲解下理解了许多之前觉得晦涩的内容。非常感谢！希望这门课能够越办越好，惠及更多的同学！