Linux操作系统学习_操作系统是如何工作的

实验五：Linux操作系统是如何工作的？

学号：SA1****369

操作系统工作的基础：存储程序计算机、堆栈（函数调用堆栈）机制和中断机制

首先要整明白的一个问题是什么是存储程序计算机？其实存储程序计算机正是冯.诺依曼最初提出的计算机体系模型，现在我们一提到冯.诺依曼体系结构首先会想到的应该是包含输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器组成的经典模型，但是这里我们强调的存储程序计算机的主要特征实际上并非如此，存储程序计算机的概念相当于是褪去现代计算机华丽的外衣，所呈现出来的实实在在的计算机的本质。主要由处理器和存储器组成，中间以总线相连。

CPU通过总线从存储器中读取指令和数据进行处理，采用的主要机制是函数调用推栈机制。在不发生中断、异常以及系统调用的过程中，每个进程的执行都符合函数调用堆栈机制。

接下来说说堆栈机制。具体的函数调用堆栈机制，在我之前的博文中已经详细阐述，具体见实验一 计算机是怎样工作的 SA*****369 张*铭 。

PS：另外也可参阅C函数调用机制（x86的linux环境下）

中断机制是现代操作系统的特征所在，即这是区分操作系统是否为现代操作系统的一个重要依据，也是现代操作系统能够实现多任务的一个重要因素。我们可以将硬件中断（即外围设备产生的中断）与软中断（即系统调用）共同称为中断。CPU在运行一个进程的过程中，接受到一个中断信号，则CPU会停下正在执行的任务，转而去处理相应的中断服务例程。每个不同的中断都对应着一个相应的中断服务处理程序。

简述操作系统（内核）是如何工作

参考材料：

Linux操作系统学习_用户态与内核态之切换过程

分析进程切换宏 switch_to

linux2.6.29 swtich_to 详细分析

在我的上一篇博文Linux操作系统学习_用户态与内核态之切换过程中，我已经详细介绍了Linux操作系统中为什么要分为用户态和内核态两种状态，以及用户态和内核态的区别。同时也从虚拟地址空间的角度阐述了内核空间与用户空间的概念，更是由此引出了内核栈与用户栈的概念及区别。在操作系统工作的过程中，大多数时间都是运行在用户态下。只有当用户态下的程序发生了系统调用，或者当进程在用户态下执行时发生了硬件中断，再或者当进程执行在用户态下时，发生了异常，这些情况下，系统都会发生用户态和内核态之间的切换，即由用户态切换到内核态。

下面简要的叙述一下操作系统的工作机制。首先一个进程，这里我们假设为A，运行在用户态下，此时产生了中断，这时需要调用操作系统内核态下的中断处理函数来对中断进行处理，因此，这时就会发生用户态和内核态之间的切换，将进程由运行于用户态切换到运行于内核态。具体详细的过程，前一篇博文中已经介绍了。在这一过程中，首先将esp寄存器的值指向内核空间的内核栈，将eip寄存器指向中断处理程序的入口地址，即中断处理程序的第一条指令。然后，将进程A用户态下的用户栈的esp值和eip值入栈。（可能有人会在这里产生疑惑，esp和eip的值都已经改变了，怎么还要将用户态下的值入栈呢？另外一个疑问就是，你怎么知道是压入到内核栈。对于第一个问题，关键在于TSS，虽然在之前将esp和eip的值都改变了，但是TSS中仍保存着用户态下的各个寄存器的信息，因此，将TSS中的esp和eip的信息入栈，即是将用户态下的用户栈的信息入栈，实际上是对进程前一状态进行保存，以便中断返回后可以继续正确的执行之前正在执行的任务。第二个问题其实很简单，因为第一步中已经将esp指向了内核栈的栈顶，而我们知道，每次由用户态切换到内核态时，内核栈都是空的，因此内核栈的栈顶和栈底实际上是一个地址，因此我们可以确定是压入到了内核栈）。然后将之前在用户态运行的应用程序的eflags,cs等寄存器的内容压入到内核栈中。然后调用SAVE_ALL宏来将其他所有的寄存器信息入栈保存。由于此时cs、eip已经指向了中断处理程序，因此，开始执行中断处理程序，对中断进行处理。当中断处理程序执行完毕后，会判断是否需要进行进程调度，若是需要，则调用schedule函数，然后在schedule中会调用switch_to宏，在switch_to宏中又会调用_switch_to函数来进行进程调度。具体的switch_to函数的原理，见上面的参考资料。

当进程需要从内核态返回到用户态时，主要是对前面所进行过的所有改变的一种恢复，首先调用restore_all来将eax、ebx等寄存器保存于内核栈中的值出栈，然后调用iret来恢复其他寄存器的状态，可以看出，iret是与SAVE_ALL相反的过程。总体来说，restore_all和iret都是在恢复之前由用户态切换到内核态时，各个寄存器的状态的变化。到此，我们的系统又由运行于内核态切换到了用户态。