课程学习总结报告

前言

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、总结梳理出一个精简的Linux系统概念模型

Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。

"三大法宝"和"两把宝剑"

这是孟老师上课中的两个生动比喻，三大法宝：存储程序计算器、中断、函数调用栈；两把宝剑：中断上下文和进程中断上下文。

（1）中断管理

内核的一个主要功能就是处理硬件外设I/O，中断信号提供了一种特殊的方式，使得CPU转去运行正常程序之外的代码，中断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。

初始化过程：

系统加载 start_kernel 开始，调用了 trap.c 中的 trap_init()函数对中断进行初始化。并且调用同一文件下的set_trap_gate()/set_system_gate()/set_intr_gate()等对中断描述符进行初始化。
在进入保护模式之前， IDT 再次通过 setup_idt()函数进行初始化，在这里使用了 ignore_int()函数，是为了保护未初始化完成时发生异常不出错。然后调用 init_IRQ()函数，把中断描述附表的中断处理代码段地址设在在 interrupt 数组中，该数组指向同一个函数处理 common_interrup。

明确中断发生时， CPU 硬件级的中断信号处理过程：

　　1. 确定与中断或异常相关联的向量 i
　　2. 读取 idtr 寄存器的值，找到 IDT 的基址，通过查询 IDT，找到第 i 项对应的内容。
　　3. 从 gdtr 寄存器获得 GDT 的基地址，并在 GDT 中查找，以读取IDT 表项中的段选择符所标识的段描述符。
　　4. 确定中断是由授权的发生源发出的。
　　　中断：需要比较 CPL 和 GDT 中的 DPL。中断处理程序的特
　　　　　　权不能低于引起中断的程序的特权。
　　　编程异常：需要比较 CPL 和 IDT 中的 DPL。
　　5. 检查是否发生了特权级的变化，一般指的是用户态陷入内核态。
　　　如果是用户态陷入内核态，控制单元要使用新的特权级堆栈。
　　　保存 ss 和 esp，并用新的堆栈的值填充。
　　6. 如果是故障，用引起故障的指令修改 cs 和 eip，以便异常处理后再次执行。
　　7. 在堆栈中保存 eflags/cs/eip 的内容。
　　8. 如果有硬件出错码，则保存。
　　9. 使用 IDT 中第 i 项中的段描述符和偏移量填充 cs 和 eip。

（2）文件系统

地基（低层）由一排排的文件柜组成，井然有序。文件柜里放置着“文件”--电脑中的文件。左上角，有一只向前挂着421号牌的小企鹅。它表示这PID（进程ID）为421的进程，他正在查看文件柜中的文件，这代表系统中正有一个进程在访问文件系统。在右下角有一只小狗，他是看门狗，这代表对文件系统的监控，可以说整个linux系统都是构建在文件系统之上的，Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat等等。Linux采用虚拟文件系统VFS来达到支持多种文件系统格式的目标。VFS为各类文件系统提供一个统一的操作界面和编程接口。向上提供统一的编程接口，向下对各种文件系统进行兼容。

Virtual File System这一层，是为了隐藏各个设备之间的实现细节，向上提供统一的接口，试想，当我们通过mkfs.xxx系列命令创建了很多不同的文件系统，但这些文件系统都有各自的API接口，而用户想要的是，不管你是什么API，他们只关心mount/umount，或open/close等操作。

所以，VFS就把这些不同的文件系统做一个抽象，提供统一的API访问接口，这样，用户空间就不用关心不同文件系统中不一样的API了。VFS所提供的这些统一的API，再经过System Call包装一下，用户空间就可以经过SCI的系统调用来操作不同的文件系统。

（3）进程

进程概念

从用户角度：进程就是一个正在运行中的程序。

操作系统角度：操作系统运行一个程序，需要描述这个程序的运行过程，这个描述通过一个结构体task_struct{}来描述，统称为PCB，因此对操作系统来说进程就是PCB(process control block)程序控制块

进程的描述信息有：标识符PID，进程状态，优先级，程序计数器，上下文数据，内存指针，IO状态信息，记账信息。都需要操作系统进行调度。

进程创建
Linux中非常重要的函数——fork()，它从已存在的进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：
	父进程：返回值大于0，子进程的pid
	子进程：返回值等于0

　　关于fork函数需要理解，每当调用一次fork函数时，会返回两个两次。一次是在调用进程中（父进程）返回一次，返回值是新派生的进程的进程ID。一次是在子进程中返回，返回值是0，代表当前进程为子进程。如果返回-1，那么则代表在创建子进程的过程中出现了错误。

进程状态
进程状态一般有：就绪态，阻塞态，运行态
在Linux下：R运行状态，S睡眠状态，D磁盘休眠状态，T停止状态，X死亡状态

二、举例验证模型

（1）文件读写

例如读写文件，在读写文件之前，必须使用oepn打开一个文件，打开文件首先open会执行到C库，C库里有INT $0x80指令，然后在中断向量表中找到128项，中断向量表里有中断描述符，可以找到中断处理程序入口，128项是系统调用处理函数，进入系统调用处理函数，保存现场，系统调用号存储eax中，根据系统调用号执行系统调用表中对应那一项的函数。系统调用表是相应的函数指针，这里会执行sys_open。sys_open进行命令查找，找到文件控制块，根据不同文件类型，调用文件打开函数，文件打开函数会创建一个系统文件打开表file，file的很多内容来自文件控制块，填完之后，进程也有一个进程文件打开表，这个结构里面有fd数组，fd数组是指针，找个空闲的，把它指向之前已经创建的file结构，最后返回那一项的索引号，即fd。

当进程使用read系统调用读这个文件，就会根据fd数组的下标找到fd数组的对应项，然后找到指向之前创建的file结构的指针，再找到这个file结构，最后找到file结构里的file_operations里的具体的read函数来读取文件。

当进程使用write系统调用写数据到这个文件时也会根据fd数组的下标找到fd数组的对应项，然后找到之前创建的file结构的指针，再找到这个file结构，进而找到file结构里的file_operations里的具体的write函数来写文件。

（2）中断过程

在执行eip时，先检查上一次是否发生异常或者中断
获取对应的中断向量，这些中断向量都是由厂家或个人预先设置好的
从gdtr中获取gdt的基地址，利用中断向量里的段选择符获取对应代码段的段描述符
加上中断向量里的偏移量字段，就可以找到例程的线性地址
判断是否合法：
- 中断处理程序的权限要不小于引起中断的程序的权限
判断特权等级是否发生变化（即，是否从用户态进入内核态）：
- 是：
  - 读tr寄存器，访问运行进程的tss段（tss段里保存进程的内核栈地址）
  - 用与新特权级（内核）相关的栈段和栈指针装载ss和esp寄存器。这些值可以在进程的tss段中找到，切换到内核栈了
  - 在新的栈中保存ss和esp以前的值，这些值指明了与旧特权级相关的栈的逻辑地址，方便返回用户态
  - 此时已经切换到进程的内核栈
  - 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
在栈中保存eflags（程序状态字）、 cs和eip的内容（被中断进程的内核栈）（中断上下文）
如果异常产生一个硬件出错码z，则将它保存在栈中
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（硬件级保存现场）
进一步保存现场——通用寄存器saveall（软件级保存现场）
例程处理
软件级回复现场
iret——弹出eflags，eip，cs
判断权限合法性（是内核到内核，还是内核到用户）
从栈中装载ss、esp寄存器

三、心得体会和改进建议

心得体会

疫情期间全部改为线上授课，刚开始时候，线上授课的效果还不错，时间久了自己就有点松懈了，可能看不到其他同学都在干什么，没有动力，听着听着就走神了。不过好在有回放，在自己计划好后，可以根据自己的时间来进行学习，做实验的过程较为费力，因为自己之前没怎么接触过这方面的知识，但是参加大家的博客园还是受益匪浅的，可以参考许多人的实验过程，最终是可以做出来的。

改进建议

在复习的时候，打开ppt一看，哇感觉好多东西，感觉以后可不可以突出一些重点，抓住重点多讲一些，这样可以在学完之后有更清晰的脉络，也可以知道重点所在，现在复习的感觉就是知识好多，框架有些组织不起来。

posted on 2020-07-09 11:54 陈陈陈7 阅读(197) 评论(0) 收藏举报

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