2019-2020-1 20199305《Linux内核原理与分析》第三周作业

操作系统的秘密

（一）计算机的三大法宝

• 存储程序计算机；

• 函数调用堆栈机制；

• 中断机制。

（二）堆栈

（1）堆栈的作用

• 记录函数调用框架；

• 传递函数参数；

• 保存返回值的地址；

• 提供局部变量存储空间。

（2）堆栈操作

• push：栈顶地址减少4个字节，然后将操作数亚茹栈顶存储单元；

• pop：栈顶地址增加4个字节，然后将栈顶存储的内容放回原寄存器。

（3）相关寄存器

• ESP：堆栈指针（stack pointer），用于指向栈顶。

• EBP：基址指针（base pointer），用于记录当前函数调用的基址。

• EAX：累加寄存器（Extended accumulator register），用于存储返回值。

• CS:EIP：用于指向下一条指令地址，它的实用有几种不同情形：

  顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令；

  跳转/分支：执行这样的指令时，CS:EIP的值会根据程序需要被修改；

  call：将当前存储的值压入栈顶，然后指向被调用函数的入口地址；

  ret：原来保存的值从栈顶弹出，回到CS:EIP中。

• 现在谈一下个人对调用函数框架的理解

  调用者用call指令来实现函数调用，接下来生成一个新的堆栈给被调用者使用，

  这个过程涵盖两步——建立堆栈框架和清空堆栈拆除框架，它们由enter和leave

  两个指令实现。

（三）中断

没有中断机制之前，计算机只能一个个地执行程序（批处理），而无法实现并发工作。

现在写一个时间片轮转调度的操作系统内核（使用到函数调用堆栈和内嵌汇编）：

（1）使用实验楼的虚拟机打开shell，启动内核

（2）运行效果如下

（3）查看mymain.c和myinterrupt.c

（4）代码分析

• mymain.c

tPCB task[MAX_TASK_NUM]; /*数组*/
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;
void my_process(void);
void __init my_start_kernel(void) /*初始化进程*/
{
int pid = 0;
int i;
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];/*ESP指向栈顶*/
task[pid].next = &task[pid];
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
task[i].pid = i;
task[i].state = -1;
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[i].next = task[i-1].next; /*将进程加到进程列表尾部*/
task[i-1].next = &task[i];
}
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
asm volatile(
"movl %1,%%esp\n\t"
"pushl %1\n\t" /*EBP入栈*/
"pushl %0\n\t" /*task[pid].thread.ip入栈*/
"ret\n\t"
"popl %%ebp\n\t" /*EBP出栈*/
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)
);
}
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
/*循环10000000次之后判断是否需要调度*/
if(my_need_sched == 1)
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}


总结

当一个中断信号发生时，CPU把当前正在执行的EIP寄存器压栈，后把EIP指向中断程序入口保护

现场。等结束后在恢复现场，恢复EIP寄存器，继续执行下一条指令，这使多个程序能够实现并发

工作。套用到实验中就是进程的切换，进程在执行的过程中，当时间片用完需要进行进程切换时，

需要先保存当前的今晨执行的上下文环境，下次进程被调度时，需要恢复进程，以此实现多道程

序的并发执行。