2017-2018-1 20179205《Linux内核原理与设计》第五周作业

《Linux内核原理与设计》第五周作业

视频学习及操作分析

一、用户态、内核态和中断

内核态在CPU执行中对应高执行级别，执行级别为0级，具有特权指令，可以访问任意物理地址；用户态执行级别为3级，在低级别执行状态下，代码掌控范围会受到限制。

内核态和用户态的区分：两者有一显著的区分方法，就是cs:eip寄存器。内核态时，cs:eip可以是任意地址，在32位X86机器上具有4G进程地址空间，因此既可以访问0X00000000-0Xbfffffff的地址空间，也可以访问0Xc0000000以上的地址空间；而用户态，只能访问0X00000000-0Xbfffffff的地址空间。

中断处理是从用户态进入内核态主要的方式，从用户态切到内核态时，必须保存用户态寄存的上下文，中断/int指令会在堆栈上保存寄存器的值。进入中断程序，首先要保存现场，保存需要用到的寄存器数据，通过

#define SAVE_ALL

把其他寄存器的值push到内核堆栈中；退出程序时，回复现场，恢复保存寄存器的数据，通过RESTORE_ALL把值popl出来。

interrupt(ex:int 0x80)-save

cs:eip/ss:esp/eflags(current)to kernel stack,

then load cs:eip(entry of a specific ISR)and

 ss:esp(point to kernel stack) //中断保存系统调用，

保存了cs:eip的值，堆栈段寄存器，当前栈顶，标志寄存器到内核堆栈，

然后加载了中断服务程序入口到cs:eip, 并把堆栈段和esp指向内核堆栈

二、系统调用概述

API和系统调用：

API是应用程序编程接口，只是一个函数定义，Libc库定义的一些API引用了封装历程，可以发布系统调用，一般每个系统调用对应一个封装历程，库再用这些封装例程定义给用户的API，这样调用系统不需要再进行汇编，只需要调用一个函数即可；而系统调用是通过软中断向内核发出一个明确的请求。API和系统调用并往往不是一一对应关系。

系统调用的三层皮：xyz、system_call和sys_xyz，系统调用将xyz和sys_xyz关联起来了；在使用系统调用时，需要输入输出参数，通过eax寄存器，传递一个名为系统调用号的参数，来指明需要调用的那个系统。寄存器在传递参数时需要注意的是：

（1）每个参数长度不能超过寄存器的长度，即32位；

（2）除eax系统调用外，参数的个数不能超过六个（ebc,ecx,edx,esi,edi,ebp）超过6个参数需将某寄存器作为指针指向内存，通过内存来传递数据。

使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

这里我们在系统调用列表中选择fork函数进行系统调用

首先我们用C语言编写fork()函数如下：

接下来我们编写C语言嵌入式汇编语言：

分析嵌入式代码：

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>

int main()

{

pid_t fpid;           //传递参数

asm volatile(         //进入嵌入式汇编，volatile表示禁止服务器优化

"mov $0, %%ebx\n\t"   //将ebx寄存器清零

"mov $0x2, %%eax\n\t" //通过系统调用列表查到fork函数参数为2，因此把2号系统调用赋给eax寄存器

"int $0x80\n\t"       //执行命令，系统中断

"mov %%eax, %0\n\t"   //将eax的值赋给第0个变量

: "=m"(fpid)          //0号变量对应，即把eax的值放到内存中

);

if (fpid < 0){

printf("error!\n");

}

if (fpid == 0){       //进程标记为0

printf("I am the child process!\n");  //输出“这是子进程！”

} else{               //否则

printf("I am the father process!\n"); //输出“这是父进程！”

}

return 0;

}

在fork.c以及fork_asm.c文件中编好代码，ls可以查看到这两个可执行文件，那么我们来查看两个程序的执行结果，发现两者运行结果一致。

教材七、八章学习

1、不同的设备对应的中断不同，每个设备都通过一个唯一的数字标志，这些中断值通常被称为中断请求IRQ线，这样操作系统才能给不同的中断提供对应的中断处理程序。它是一种由设备使用的硬件资源异步向处理器发信号，由硬件来打断操作系统。在相应一个特定中断时，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序。由于中断处理程序既想运行的快，又想完成的工作量多，因此把中断切分为上半部（立即执行）和下半部（稍后执行）。

2、中断处理程序上、下半步处理逻辑分配原则：

上半部：任务对时间非常敏感；任务和硬件相关；任务保证不被其他中断打断，不并发，不阻塞。其余情况分配到下半步。

3、注册中断处理程序：通过request_irq()函数可注册一个中断处理程序,并且激活给定的中断线，irq表示分配的中断号；handler为指针，指向实际中断处理程序；flags参数可以为0，也可能是下列一个或多个标志的位掩码（IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_TIMER、IRQF_SHARED)第四个参数name与中断相关的设备的ASCII文本表示。第五个参数dev用于共享中断线，当中断需要退出时，dev提供唯一的标志信息，以便从共享中断线的中断处理程序中删除指定程序。

注：request_irq()函数可能会睡眠，所以不能在中断上下文或其他不允许阻塞的代码中调用该函数。

4、在内核中，中断的旅程开始于预定义入口点，这类似于系统调用。对于每条中断线，处理器都会跳到对应的一个唯一的位置。这样，内核就可以知道所接收中断的IRQ号了。初始入口点只是在栈中保存这个号，并存放当前寄存器的值(这些值属于被中断的任务)；然后，内核调用函数do_IRQ().从这里开始，大多数中断处理代码是用C写的。书中P100页给出了从中断从硬件到内核的路由过程，总结的很明白：

5、下半部的实现机制主要有三种，软中断、tasklet和工作队列，工作队列的机制与它们完全不同，工作队列可把工作推后，交由一个内核线程去执行。在机制的选择上，有休眠需求，选工作队列；追求更高的性能，考虑软中断，它是在编译期间静态分配的，一个软中断不会抢占另外一个软中断，唯一可以抢占软中断的是中断处理程序；；否则最好用tasklet,而tasklet是通过软中断实现的，所以不能睡眠，可以动态地注册或注销（也可以静态）。

三种实现机制的流程如下：

遇到的问题

同步执行和异步执行有什么根本的差别？

同步和异步关注的是消息通信机制，所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。而异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。知乎上有个打电话的例子，感觉通俗易懂。

参考链接：异步执行