oranges 笔记第六章

OS 第六次实验随笔

第六章6.1-6.3相关的问题

1. 进程状态保存与恢复

   • 哪些状态
   • 何时保存
   • 保存在哪
   • 如何恢复

2. 特权级变换

   • 用户进程到内核
   • 内核回到用户进程

3. 再次理解TSS 、堆栈

   • 从外环进入内环（特权级发生变化）时，如何访问TSS？堆栈的变化

   • P193页，中断发生的开始，ESP的值是刚刚从TSS里面渠道的进程表A中regs的最高地址，上述过程的实现代码在哪？

概述

1. 形成进程的必要考虑。我们需要一数据结构来记录一个进程的状态，这样方便进行进程切换时，可以保存原来的进程状态。进程被挂起时就将信息写入这个数据结构，进程重新启动时，这里的信息就被重新读取。

   

2. 由于进程和进程调度运行在不同层级上，这里为了简单，让所有任务运行在ring1，让进程切换运行在ring0。

简单的进程

一个简单的进程切换情形，一个进程在执行时，发生了时钟中断，特权级从ring1跳转到ring0，开始执行时钟中断处理程序，中断处理程序这时调用进程调度模块，指定下一个应该运行的进程，当中断处理程序结束时，下一个进程准备就绪并开始运行，特权级又从ring0跳转回ring1：

1. 进程A运行中；
2. 时钟中断发生，ring1->ring0，时钟中断处理程序启动；
3. 进程调度，下一个应运行的进程（这里设为进程B）被指定；
4. 进程B被恢复，ring0 -> ring1；
5. 进程B运行中。
6. 

为了实现这种进程切换，需要以下模块：

• 时钟中断处理程序；
• 进程调度模块；
• 两个进程。

关键技术

进程的哪些状态需要保存？

需要保存的是那些可能会发生改变的量，从寄存器和内存两个角度考虑，因为不同进程之间的内存是互不干涉的，但是CPU却只有一个，不同的进程共用同一个CPU的一套寄存器，所以应该保存寄存器的值，准备进程被恢复时使用。

保存的是处理机状态信息，包括

a. 进程当前暂存信息；

b. 下一条指令地址信息；

c. 进程状态信息；

d. 过程和系统调用参数及调用地址信息.

进程的状态何时以及怎样保存？

为了保证进程状态完整不被破坏，在进程刚刚挂起时保存所有寄存器的值。保存的方法为push（即存到PCB中），或者是push ad.

这些代码应该写在时钟中断例程的最顶端，以便中断发生时马上被执行。

如何恢复？

保存使用的是push,恢复用的便是pop，将寄存器的值都恢复，然后执行指令iretd，回到对应进程。

进程表的引入

保存进程状态的东西，即进程表，亦或进程控制块（PCB）。

由于会有对个进程，所以会有多个进程表，形成一个进程表数组。

进程表是描述进程的，必须独立于进程之外。

进程栈和内核栈

1. 进程运行时，esp指向进程栈的某一块；
2. 中断发生，从ring1到ring0，esp的值变为TSS中预设的ring0下的esp的值；
3. 寄存器的值刚被保存到进程表中，这时候再进行堆栈操作会破坏进程表数组；
4. 这时候使用内核栈，使esp指向内核栈即可。

特权级变换

1. 发生有特权级变换的转移时，如果是外层向内层转移，我们需要从TSS中取得从当前TSS中取出内层SS和esp作为目标代码的ss和esp，所以每个进程都要有TSS，涉及的描述符应该放在局部描述符表LDT中，所以腰围每个进程准备LDT。
2. 利用iretd来实现ring0 到ring1的转换。

ring0 -> ring1

restart

分析代码

358行：将esp更改，即让esp指向进程表，p_proc_ready指针指向的是下一个要启动进程的进程表地址。

359行：设置ldt，esp+p_ldt_sel即指向进程表中的ldt_sel,可知在执行restart之前对ldt_sel进行了初始化

360、361：将进程表的第一个成员的regs末地址赋值给TSS中的ring0堆栈指针域（esp）。下一次执行中断时。esp将变成regs的末地址。

时钟中断处理程序

这里直接使用iretd

进程表，进程体，GDT和TSS

1. 需要初始化的寄存器有：cs ds es fs gs ss esp eip eflags
2. 要初始化LDT
3. 初始化TSS
4. 相关关系
   • 进程表和GDT。进程表内的LDT Selector对应GDT中的一个描述符，而这个描述符所指向的内存空间就存在于进程表内。
   • . 进程表和进程。进程表是进程的描述，进程运行过程中如果被中断，各个寄存器的值都会被保存进进程表中。但是，在 我们的第一个进程开始之前，并不需要初始化太多内容，只需要知道进程的入口地址就足够了。另外，由于程序免不了 用到堆栈，而堆栈是不受程序本身控制的，所以还需要事先指定esp。
   • GDT和TSS。GDT中需要有一个描述符来对应TSS，需要事先初始化这个描述符
5. 初始化一个进程体
6. 初始化进程表
   • 定义进程表的结构体。
   • 初始化寄存器
   • 初始化LDT和LDT Selector
7. 准备GDT和TSS。

丰富中断处理程序

时钟中断起作用

1. 首先在i8259.c的init8259a中打开中断。

   

2. 设置EOI使中断持续不停的发生

   

3. 为了使中断可以被观察，这里通过改变屏幕第0行，第0列的字符来表示中断在运行。中断发生时会一直变成下一个

   

4. 运行结果如下所示，此时截图到了6

5. 

现场保护与恢复

为什么不用disp_str，而是直接使用move写显存？

这是因为disp_str会影响很多寄存器，进而可能导致对进程的影响。上面的改变al从结果上时没有产生改变的但为了避免不必要的错误，我们还是将所有的寄存器都压入堆栈，执行之后再恢复。

赋值 TSS.esp0

1. 中断的发生伴随着频繁的特权级切换，特权级切换除了要有代码的跳转，还需要堆栈的切换。
2. 当从ring1回到ring0时，堆栈切换就需要TSS，TSS是用来存储ring0的堆栈信息的，堆栈信息是ss和esp。
3. 进程运行时，tss.esp0应该是当前进程的进程表中保存寄存器值的地方，即s_proc中的s_stackframe的最高地址处。
4. 实现代码分析
   • 首先是跳过四个字节，即跳过retaddr，得到了进程表A中的regs的最高地址。
   • 然后是保存寄存器的值
   • 使ds,es,指向与ss相同的段
   • 接下来是同上面的屏幕显示相关代码；
   • 最后将esp+p_stacktop的值给eax，然后赋值给tss.esp0。下一次执行中断时，esp将指向regs的末地址；
   • 
   • 然后将寄存器出栈，esp+4

内核栈

前面我们知道，进程调度发生时，仅仅切换到进程表是不够的，为了防止进程表相应的栈的有关信息被破坏，我们还要继续切换栈，这时候就要用到内核栈了。

切换到内核栈的方法非常简单，只需在原代码的基础上增加两行move即可，切换的时机为寄存器刚被压入堆栈以后（压入堆栈后就立即跳转到内核栈，否则此时进行堆栈操作会影响进程表存储的信息），以及对tss.esp0赋值之前（否则下次中断就直接内核栈了）。

这里增加了中断显示消息"^{"，所以会在下面显示“}”,如下图所示

中断重入

为了让中断发生时，还能继续接受中断，我们需要进行一定的修改。

1. CPU在响应中断时，会自动的关中断，这是我们要人为打开，所以要使用指令sti打开中断，并在离开内核栈前用cli关闭中断；

   

2. 为了实验的方便，我们需要中断处理的时间足够长，所以增加了延时函数

   

3. 这样会带来一个问题，即当一次中断未完成时，另一个中断就发生，导致永远无法执行到中断处理程序的结尾，作用于显示上就是打印一个A0x0后一直打印^。

   

4. 并且由于一直在压栈而无出栈，会导致堆栈溢出。

5. 解决这个问题，需要让中断处理程序知道自己是否在嵌套执行。设置一个全局变量来实现，中断处理程序执行时自加，结束时自减。这里设置为初始值为-1.当结果不为0时，说明未处理完发生了中断，这时直接跳到最后，结束新的中断。

6. 

7. 运行结果如下，可知打印^的速度变慢了，说明很多程序执行了inc byte后并没有执行disp_str。中断重入已经解决，所以无需延时函数，最后运行结果如最下方所示

   

8. 

问题

取到进程表A中regs的最高地址的代码

实现的代码其实没有，是CPU自己实现的

实验

修改系统调用函数

将proc.c中的对应函数改为上述，即调用后指向下一个进程，如果进程为最后一个，返回到进程表的第一个。

修改进程体

在a的地方，进行调用后面加入第二句话。在C处使用延时函数。