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1.中斷
當80X86啟動時,ROM BIOS中的程序會在物理內存地址0X0000:0X0000處初始化并設置中斷向量表,而各中斷的默認中斷服務程序則在BIOS中給出。
在BIOS執行初始化操作時,它設置了兩個8259A芯片支持16個硬件中斷向量和BIOS提供的中斷號為0X10-0X1F的中斷調用功能向量。對于實際沒有使用的向量則填入零時的啞中斷服務程序的地址。
對LINUX系統,除了在剛開始加載內核時需要用到BIOS提供的顯示和磁盤讀操作中斷功能,在內核正常運行之前則會在SETUP.S中重新初始8259A芯片,并拋棄BIOS所提供的 功能,重新設置中斷向量表。
當INTEL CPU運行在32位的保護模式下時,使用IDT(中斷描述符表,除中斷服務地址外,還有特權級和描述符等信息)來處理中斷。
對于中斷INT0--INT31(0X00--0X1F),由INTEL公司保留,稱為異常,屬于軟中斷。
LINUX系統中,將INT32--INT47(0X20--0X2F)對應于8259A中的IRQ0--IRQ15,將程序編程發出的系統調用中斷設置為INT128(0X80),系統調用中斷是用戶程序使用操作系統資源的唯一界面接口。
初始化時,內核在HEAD.S中首先使用一個啞中斷向量對IDT中的256個描述符進行默認設置(BOOT/HEAD.S,78)。這個啞中斷向量指向一個默認的“無中斷”處理過程(BOOT/HEAD.S,150)。內核在后續的初始化中,將重新置中斷向量,通常,異常中段處理過程(INT0--INT31)都在KERNL/TRAPS.C,181。系統調用中斷INT128在KERNEL/SCHED.C,385。
在設置中斷描述符表IDT時,通過設置標志寄存器EFLAGS中的中斷允許標志IF來屏蔽其它中斷的干擾。
CLI :復位標志寄存器EFLAGS中的中斷允許標志IF,使得系統在執行CLI之后不會相應外部的中斷。
STI :使CPU能響應外部中斷。
2.系統調用
用戶程序通過調用INT128(INT0X80)中斷,并在EAX寄存器中指定系統調用的功能號來使用內核資源,包括系統硬件資源。
通常系統調用使用函數調用的形式,其中寄存器EAX中存放著系統調用號,EBX、ECX、EDX中存放參數。返回值為負表示錯誤,0表示成功。出錯時,錯誤的類型碼被放在全局變量ERRNO中,通過調用PERROR()可以打印出出錯信息。
處理系統能夠調用的過程是是KERNEL/SYSTEM_CALL.S中的SYSTEM_CALL。
在LINUX內核中,每個系統調用都有唯一的一個系統調用功能號(INCLUDE/UNISTD.H,60)。如,WRITE()的系統調用紅能號是4,定義為符號__NR_write。這些系統調用的功能號實際上對應于INCLUDE/LINUX/SYS.H中定義的系統調用處理程序指針數組表sys_call_table[]中的索引值。因此WRITE()系統調用的處理程序指針就位于該數組的項4處。
INCLUDE/UNISTD.H,133--183定義了4種系統調用宏函數(0參數,1參數,2參數,3參數),通過這些宏函數,用戶程序可直接進行系統調用,實時上C函數中的函數調用系統調用的方式也是如此。
/*某一用戶態進程執行系統調用時,堆棧中各寄存器的偏移位置*/
EAX = 0x00 /* 這些為執行system_call時,中斷處理程序手動壓入堆棧的信息*/
EBX = 0x04
ECX = 0x08
EDX = 0x0C
FS = 0x10
ES = 0x14
DS = 0x18
EIP = 0x1C /* 這些為用戶態程序調用系統調用時自動壓入堆棧的信息*/
CS = 0x20
EFLAGS = 0x24
OLDESP = 0x28
OLDSS = 0x2C
當一個內核態程序調用系統調用,執行完后直接返回;當一個用戶態程序調用系統調用,執行完后將先進行信號處理然后再返回。
3.系統時間
初始化時,LINUX通過INIT/MAIN.C中的TIME_INIT()函數讀取RT/CMOS RAM電路(存放時間)中的當前時間,并通過KERNEL/MKTIME.C中的KERNEL_MKTIME()函數轉換成從1970年1月1日0:00開始的以秒為單位的時間(UNIX日歷),并保存于全局變量STARTUP_TIME中,通過TIME()系統調用可讀取STARTUP_TIME的值,超級用戶可通過STIME()系統調用來修改該值。
通過將STARTUP_TIME(秒,從1970年1月1日0:00開始志開機為止)和JIFFIES(毫秒,從開機開始到現在)相加及為當前系統時間。
PC機的可編程定時芯片(INTEL 8254,每隔一段時間發出一個脈沖)的輸出引腳被接在了中斷控制芯片(8259A)的IRQ0(時鐘中斷請求)上,因此系統每過10毫秒就會收到一個時鐘中斷請求(IRQ0),我們稱其為系統時鐘周期,因此每過10毫秒,系統會調用一次時鐘中斷處理程序(TIMER_INTERRUPT,用于累加JIFFIES變量),然后調用C函數DO_TIMER作進一步的處理。
DO_TIMER()的參數CPL為被中斷程序的段選擇符中表當前代碼特權級。若CPL=0表示進程運行在內核態時被中斷,因此進程的內核態運行時間(STIME)增1;否則進程的用戶態運行時間增1。
若某個定時器時間到(遞減為0),則調用該定時器(軟件,僅供內存使用,最多64個,在需要時動態創建,在到點時動態撤銷,定時器的代碼在SCHED.C,264--336)的處理程序,然后將當前進程運行時間片(一個進程在被切換之前所能持續運行的CPU時間,單位10毫秒)減1,若時間片仍大于0則退出DO_TIMER()繼續運行當前進程;否則表示該進程已用完了此次使用CPU的時間片,此時如果當前進程工作在用戶態,則DO_TIMER()會調用進程調度程序SCHEDULE()切換到其它進程中去,此時如果當前進程工作在內核態,則DO_TIMER()立即退出。
4.進程控制
LINUX中第一個進程是手工建立的,其它進程都是通過FORK()系統調用建立的。
內核通過進程表對進程進行管理,進程表項是一個TASK_STRUCT結構指針即PCB進程控制塊(INCLUDE/LINUX/SCHED.H中)。
在系統初始化時,在第一次調用EXECVE()之前,系統創建的所有任務的EXECUTABLE都是0(即未打開任何執行文件)。
CPU的所有寄存器中的值、進程的狀態及堆棧中的內容被稱為該進程的上下文,當發生進程切換時,當前進程的上下文被保存在PCB中;當發生中斷時,內核就在被中斷進程的上下文中,在內核態下執行中斷服務例程。
某一進程在內核態執行時,若需要等待某一資源,可通過調用sleep_on或interruptible_sleep_in()自愿放棄CPU使用權。此時,該進程處于"睡眠態",此時該進程才能被切換。在內核態下運行的進程不能被其它進程搶占,而且一個進程不能改變另一個進程的狀態,內核在執行臨界區代碼時會禁止一切中斷。
5.堆棧
linux中使用了4種堆棧。a.系統引導初始化是臨時使用的堆棧。b.進入保護模式之后提供內核程序初始化使用的堆棧,位于內核代碼地址空間固定位置。該堆棧也是后來任務0使用的用戶態堆棧。在init/main.c中,在執行move_to_user_mode()把控制權移交給進程0之前,系統一直使用該堆棧,而在執行過move_to_user_mode()之后,main.c的代碼被切換成進程0中執行。通過執行fork(),main.c中的init()將在進程1中執行,并使用進程1的堆棧。而main()本身則在被切換為進程0后,仍然繼續使用該堆棧作為其用戶態堆棧。(sched.c的user_stack[]數組)c.每個任務通過系統調用,執行內核程序時使用的堆棧(內核態堆棧),每個任務都有自己獨立的內核態堆棧。當一個進程進入內核態運行時,就會使用其tss種給出的特權級0的堆棧指針tss.ss0,tss.esp0,即內核棧。d.任務的用戶態堆棧,位于任務邏輯地址空間末端處。
用戶態堆棧:0 代碼 數據 堆棧 參數 環境變量 64mb
內核態堆棧:0 PCB 堆棧 1頁
當進行特權級發生變化的控制權轉移時,目的代碼會使用新特權級的堆棧,而原特權級代碼堆棧指針將保留在新堆棧中。
當一個進程從用戶態轉換為內核態時:首先,CPU會從當前進程的TSS中取得內核態的ss及esp,然后將當前用戶態的SS及ESP壓入內核堆棧,隨后把eflags(標志寄存器)和cs,eip(返回地址)壓入內核態堆棧中。
如果一個任務正在內核態運行,若此時響應中斷,則只需壓入eflags和cs,eip而無需壓入ss,esp。
intel CPU先遞減堆棧指針,然后再進行進出棧操作。
6.文件系統
linux引導啟動時,默認使用的文件系統是根文件系統。其中包括一些配置文件和命令執行程序:
ect/目錄主要含有一些系統配置文件
dev/含有設備特殊文件,用于使用文件操作語句操作設備
bin/存放系統執行程序,如sh,mkfs,fdisk
usr/存放庫函數,手冊和其它一些文件
user/bin常用命令
var/用于存放系統運行時可變的數據或日志
存放文件系統的設備就是文件系統設備。如windows2000的c盤就是文件系統設備,按一定規則竄坊文件就組成文件系統,如windows2000的ntfs或fat32。
當linux加載根文件系統時,會根據啟動盤上引導扇區509,510字節處的一個字(ROOT_DEV)中的根文件系統設備號指定的設備中加載根文件系統,如c就會在c盤中加載。
make工具通過識別哪些文件被改過,從而決定哪些文件需要重新編譯。
bootsects和setup.s為實地址模式需要as86來編譯,head.s為需要GNUas來編譯。
bootsect.s程序是磁盤引導塊程序,編譯后會駐留在磁盤的第一個扇區中。在PC加電ROM BIOS自檢后,將被BIOS加載到內存0x7c00處并執行。
setup.s主要用于讀取硬件配置,并把訥河模塊system移動到適當位置。
head.s會被編譯連接在system模塊的最前部分,主要進行硬件設備的探測設置和內存管理頁面的初始設置。
7.編譯(p70認真看)
linux中經編譯后的2進制文件格式:
執行頭部分:目標文件的整體信息,如:代碼和數據部分的長度,對應原文件的名稱。內核使用這些參數把該文件加載到內存中執行;連接程序使用這些信息來連接各模塊。
代碼段部分:指令和數據。
數據段部分:指令和數據,含有已經被初始化的數據,總是被加載到可讀寫的內存總。
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