Linux概念模型

在Linux系统分析这门课中，我们主要学习了中断，系统调用，程序加载执行，进程管理，文件系统，计时器方面等方面的内容。

通过这门课的学习让我初步了解到了，Linux系统的大致运行过程。

• 时钟贯穿了整个系统，文件的创建需要带有时间信息，进程的执行也需要确定CPU的使用时间，Linux的计时器保证了整个系统的有序运行。
• 文件管理中VFS通过构建一个通用文件模型，使得VFS使用一套统一的操作来管理不同的文件系统。另外在Linux中外设也被看成是一种文件，系统对设备文件的读写将转换成驱动程序对外设的读写操作。
• 进程更是Linux系统中资源分配和CPU调度的基本单位，是Linux任务执行的载体。多种进程调度算法使得Linux系统可以充分利用CPU资源进行多任务并发。
  

Linux系统启动

Linux系统的启动做了些什么，我们大致可以从start_kernel这个函数里面略窥一二。

1. 文件系统的挂载
2. 时钟的初始化，开始整个系统的计时任务
3. 中断向量的初始化，为后续产生的中断程序提供入口地址
4. 0号进程的创建，以及kernel_init（所有用户进程的祖先），kthreadd（所有内核进程的祖先）的初始化及运行
5. 其他内容的初始化....

中断与异常

中断是CPU提供的一个重要的机制，它使得指令流可以被强制跳转。

狭义上的中断专指来自CPU外部的硬件中断，而来自CPU内部的特殊信号则称为异常。前者可进一步分为可屏蔽中断和非屏蔽中断；后者可以细分为终止，故障和陷阱。其中陷阱是由用户代码主动引发的中断，系统调用正是由此实现。

• 如果发生了中断或异常，CPU会依次执行以下操作：

1. 确定与中断或异常关联的向量i（0 <= i <= 255）。

2. 读中断描述符表（IDT）中的第i项。

3. 通过第i项中的段选择符在GDT中查找相应的段描述符。后者指定中断或异常处理程序的段基地址。

4. 权限检查：比较CPL与段描述符的DPL；比较CPL与门描述符的DPL。

5. 检查是否发生了特权级的变化，若CPL不同于段描述符的DPL（从用户态陷入内核态），则：

   1. 读取tr寄存器访问运行进程的TSS段。

   2. 装载TSS中的ss与sp到寄存器（指向当前线程的内核栈）。

   3. 在新栈中保存ss和sp之前值。

6. 若发生的是故障则用引起异常的指令修改cs和sp寄存器的值，以使这条指令在异常处理结束后可以被再次执行。

7. 在栈中保存flags，cs和ip的值。

8. 如果异常产生一个异常操作码，则将它保存在栈中。

9. 装载处理程序入口地址到cs和ip。

• 从中断或异常返回时要执行iret指令，CPU会执行以下操作：

1. cs、ip、flags依次出栈并装载到相应寄存器。若有硬件出错码，则将其出栈。

2. 权限检查：比较CPL与处理程序权限等级，若相等，则结束；否则（从内核态返回用户态），执行下一步。

3. 从栈中装载ss和sp寄存器（指向被中断线程的用户栈）。

4. 检查并重置ds，es，fs，gs寄存器。

当然，除了上述由硬件自动保存和恢复的寄存器之外，还有很多寄存器需要手动维护（SAVE_ALL和RESTORE_ALL )。这些在栈中暂存的寄存器值一起构成了pt_regs结构。

中断处理程序依次执行以下操作：

1. 将中断向量入栈

2. 保存所有其他寄存器

3. 调用do_IRQ

4. 跳转到ret_from_intr

异常处理程序依次执行以下操作：

1. 在内核堆栈中保存大多数寄存器的内容。

2. 调用C语言的函数

3. 通过ret_from_exception()从异常处理程序退出。

中断处理函数直接在被中断进程的内核栈内执行，即所谓的中断上下文。需要注意的是，Linux允许中断嵌套执行。

文件管理

文件系统也是操作系统的三大核心功能之一。同进程一样，文件控制块FCB是系统为管理文件而设置的一个数据结构。FCB是文件存在的标志，它记录了系统管理文件所需要的全部信息，包括文件名，文件物理地址，文件大小，文件创建时间等等信息。在Linux系统中一切有着有一切皆文件的思想，无论是正规文件，目录文件，符号链接，设备文件，管道文件， 套接字都通过VFS系统提供一个统一的接口。文件系统的一个最大特点是“按名存取”，用户只要给出文件的符号名就能方便地存取在外存空间的文件信息，而不必关心文件的具体物理地址。而文件系统最重要的三个功能就是open, read, 和write，而这三个中最重要的就是open，这里介绍一下open的过程：

第一部分：open会首先调用C库中的open函数，通过int 0x 80进行系统调用，然后获取中断异常向量表中获取128号中的段选择符和段内偏移（也即系统调用程序的入口地址），在系统调用中会进行保存现场，通过对指令分析获取用户提供的参数，然后获取系统调用表中对应的sys_open函数。第二部分：sys_open函数会进行命名查找，得到文件控制块，获取文件的类型，根据文件的类型调用不同的文件打开函数，文件打开函数会创建一个文件打开表（系统文件打开表），通过文件控制块填入相关信息，然后会返回进程中，进程中也会存在一个文件打开表，进程文件打开表就是进程的file中的fd数组，fd数组中存入指针会指向存入系统打开表中的表项，而那些表项对应着刚刚打开的文件，最后open会返回这个文件存在fd数组的下标。

有了上述的open过程，之后的read和write就会很简单了，read和write就可以根据上述的open返回的数组下标，找到对应的文件，然后就可以对文件进行读写。

另外，Linux中的设备，除网络设备外，字符设备和块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录，因此Linux中对设备的操作与上述讲的对普通文件的操作很类似，这里不再赘述。

Linux的计时体系结构

• 更新自系统启动以来所经过的时间
• 更新日期和时间
• 确定当前进程的执行时间，考虑是否需要抢占
• 更新资源使用统计情况
• 检查到期的软定时器

相对时间和墙上时间

相对时间：记录系统从启动直到当前时刻的时间。相对时间由系统时钟中断进行维护。

墙上时间：系统启动的时候根据实时RTC芯片保存的数据进行初始化，在系统运行期间由系统时钟维护并在合适的时刻和RTC芯片进行同步。墙上时间存储在系统核心变量xtime中，该变量记录了现实世界中年月日格式的时间。

心得与体会

通过这门课了学习到了很多知识，以前只局限于Linux基本命令的使用，环境的配置，现在能更加深入了解Linux的运行原理，明白Linux一些底层操作，例如中断异常，时钟 ，文件系统之类的；不过李老师讲函数之间调用，很容易就晕了，最好还是有函数之间的调用脑图会清楚很多；

课程学习总结报告

原文：https://www.cnblogs.com/deepfeel/p/13273802.html