操作系统是如何进行工作的

Posted 2020-09-02 somnus赤系

李亚健    《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、实验过程：

实验内容为完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

1.根据老师指导按照实验步骤，在实验楼环境下打开shell：

cd LinuxKernel/linux-3.9.4

rm -rf mykernel

patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

make allnoconfig

make  

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后 cd mykernel

看到mymain.c和myinterrupt.c.

2.将老师github的mypcb.h/mymain.c/myinterrupt.c拷贝到实验楼环境的mykernel下，再按照实验步骤进行，即可看到实验的调度过程.修改这三个文件：

mypcb.h:

 

mymain.c:

 

myinterrupt.c:

3.重新make编译一下，然后执行会看到结果：

 

二、分析该精简内核的源代码。

1.mypcb.h对结构体和函数进行了定义.定义了线程的ip与sp 线程的结构,其中SP寄存器指向当前线程栈的栈顶，这样通过SP就能完成出入栈的操作；IP指向当前操作指令，一开始指向线程启动函数，后面按照代码的一层层调用，执行相应指令，接下来定义了进程控制块PCB的初始信息。

 

2.mymain.c中__init my_start_kernel 函数是内核的入口，它完成了初始化进程并启动进程的工作。 进程创建完毕后，将my_current_task指针指向0号进程，通过嵌入式汇编代码，开始执行。这个嵌入式代码实际上是开辟了新的栈帧空间，类似于上一课，也与myinterrupt.c的进程切换类似。 每个进程都执行my_process(void)，i%10000000 == 0，打印进程号，略小于1s的时间。

 

3.myinterrupt.c中my_timer_handler被内核的定时器周期性调用，当计数到1000时执行进程切换。

 

4.其中的内嵌汇编代码为核心：

"pushl %%ebp\\n\\t" /* save ebp */

"movl %%esp,%0\\n\\t" /* save esp */

"movl %2,%%esp\\n\\t" /* restore esp */

"movl %2,%%ebp\\n\\t" /* restore ebp */

"movl $1f,%1\\n\\t" /* save eip */

"pushl %3\\n\\t"

"ret\\n\\t" /* restore eip */

: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)

: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)

 

"pushl %%ebp\\n\\t" /* save ebp */

"movl %%esp,%0\\n\\t" /* save esp */

"movl %2,%%esp\\n\\t" /* restore esp */

"movl %2,%%ebp\\n\\t" /* restore ebp */

"movl $1f,%1\\n\\t" /* save eip */

"pushl %3\\n\\t" "ret\\n\\t" /* restore eip */

: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)

: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)

 

三、理解操作系统是如何工作的。

1. Linux操作系统的正常工作可以说有三个非常重要的部分，就是我们的存储程序原理、堆栈以及中断的支持。 操作系统对进程的管理主要就是进程的管理和调度，我们为每个进程维护一个进程描述和以及进程间的关系。我们的内核的工作主要有两部分组成，首先运行有一个内核线程，然后就是一些中断处理程序的集合，我们在中断处理程序中要就行进程的调度。

2.Linux操作系统由内核来实现具体工作的，一个进程是通过系统调用fork（）函数来创建的，先是将先前CPU正在运行的进程的进程上下文保存在内核态堆栈中，包括有eip,esp,ebp,cs等寄存器的数据；然后加载创建的进程的上下文信息到相应的寄存器中，运行当前新建进程；运行完毕后根据系统的调度继续执行相应的进程。Linux操作系统是多进程的操作系统，不同的进程就是基于以上的方式有操作系统实现调度运行的。同时，操作系统以一种中断的机制实现与用户的交互。操作系统中的IDT描述好各个中断对应的处理程序，当发生相对应的中断时，由硬件来实现中断信号的传递，CPU接收到相应的IRQ信号后，由操作系统如调度进程那样调度相应的处理程序，来完成相应的中断请求，实现与用户的交互。