Linux内核分析--操作系统是如何工作的

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一、初始化进程

操作系统内核启动入口函数是void __init my_start_kernel(void)；

在这里简单定义进程的的两个cpu状态：

struct Thread {
    unsigned long        ip; //表示eip指令
    unsigned long        sp;//表示esp，栈顶指针
};

在此函数中初始化第一个进程--pid=0；一切进程都是以它为父进程。

在初始化第一个进程时，分配进程pid=0，指定栈顶指针，初始化pcb的命令即ip的值--进程my_process的入口地址。

运行第一个进程的流程

设置进程状态为正在运行，通过嵌入式汇编程序使进程占据cpu运行

asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
        "pushl %1\n\t"             /* push ebp */
        "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
        "popl %%ebp\n\t"
        :
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );

首先esp跳转到该进程的栈顶位置，将该进程ebp压入栈（由于第一个进程ebp==esp），将该进程的ip压入栈顶。然后将ret指令，可以修改eip的值，使得该进程获得cpu的指令权限。再弹出ebp，恢复栈底的位置。

 

二、进程的切换

本次小的时间片轮转的采用的是时钟中断的方法进行调度。在my_process的进程中，检测中断的标志，有的话，就进行进程切换。

进程切换分两种情况，一种是正在运行的进程切换，另一种是没有运行的进程切换

正在运行的进程切换

通过下面的一段嵌入式汇编实现切换，然后使下一个进程转换成正在运行的状态

asm volatile(    
            "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
            "pushl %3\n\t"
            "ret\n\t"                 /* restore  eip */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );

首先保存原来的ebp，esp，ip，通过将ebp压栈，进程cpu状态保存esp的值和ip的值。

接下来将esp跳转到要切换的栈顶，将其ip值压栈，然后ret指令使eip获得其cpu指令权，最后将ebp等于原来进程ebp的值。即栈底不变。

没有在cpu上运行的进程切换

首先转换进程的状态成正在运行，然后通过下面的一段嵌入式汇编实现切换

asm volatile(    
            "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)
        );      

首先保存原来的ebp，esp，ip，通过将ebp压栈，进程cpu状态保存esp的值和ip的值。

接下来将esp跳转到要切换的栈顶，ebp跳转到要切换的栈底，由于进程没有运行所以ebp=esp，将其ip值压栈，然后ret指令使eip获得其cpu指令权。

下面是内核编译完成的图片：

下面这张是进程在切换时的图片

 

三、总结

操作系统首先进入初始化启动内核，在启动内核时先完成第一个0号进程，然后根据需要不断创建进程。并根据一定的调度算法进行进程的切换。