破解操作系统的奥秘

【实验五】Linux操作系统是如何工作的？破解操作系统的奥秘

姓名：吕良

学号：SA12**6259

 

关键字：存储程序计算机  堆栈机制    中断机制

#include<stdio.h>
int main()
{
     printf("HelloWorld\n");    
     return 0; 
}    

操作系统如何运行Hello程序

一、存储程序计算机

“存储程序”原理，是将根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序其他指令，直至程序结束执行。

Hello源程序被编译汇编成ELF可执行文件格式，存储在计算机存储器的某段空间中；

二、堆栈机制

一个过程调用包括将数据（以过程参数和返回值得形式）和控制从代码的一部分传递到另一部分。另外，它还必须在进入时为过程的局部变量分配空间，并在退出时释放这些空间。数据传递、局部变量的分配和释放都是通过操纵程序栈来实现的。

操作系统会创建一个新的进程来执行Hello程序。而进程的地址空间可分为两部分：独立的用户态地址空间（0~3G）和共享的内核态地址空间（3~4G），进程用户态地址空间中有一段空间是进程的用户态堆栈，相应地，进程内核态地址空间中有一段空间是进程的内核态堆栈。程序的执行就是在栈中进行的：最开始Hello程序运行在用户栈，当执行到printf时发生系统调用（软中断），程序进入到内核栈执行，最后再返回到用户栈。

三、中断机制

中断，顾名思义，就是CPU停下当前的工作，转而去处理系统出现的新情况。中断是进程从用户态切换到内核态的唯一途径。（这里的中断是广义上的中断，分为同步中断（异常）和异步中断（狭义上的中断））如上面所说，当执行到printf时发生系统调用（软中断），程序进入内核态，最后再返回到用户态。

 

最后，综合起来说一下操作系统是如何执行Hello程序的：

首先，Hello源程序被编译汇编成ELF可执行文件格式，存储在计算机存储器中。然后操作系统创建一个新进程，并规划好进程的用户态堆栈和内核态堆栈。TSS（任务状态段）不仅在进程切换时起着重要作用，在同一进程的用户态和内核态切换时也至关重要。TSS中保存了进程的用户态的栈顶指针esp和内核态的栈顶指针esp0。当Hello程序执行到printf通过系统调用（软中断）进入到内核态时，进程会把内核栈的相关指针ss0和esp0堆装入SS及ESP寄存器以变换到内核堆栈，除了通过寄存器把相应的参数传递到内核栈，还会从TSS中取出进程的用户栈栈顶指针esp，把它压入到进程的内核栈。程序开始在内核栈执行......。当系统调用执行完后，进程就要返回到用户态。此时将保存在内核栈中的用户栈的栈顶指针esp出栈，装入ESP寄存器中，进程就顺利的返回到了用户态。