Linux课程总结

原创已于 2022-07-02 12:35:43 修改 · 295 阅读

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于 2022-07-02 12:35:16 首次发布

本文回顾了Linux操作系统的关键概念和技术，重点介绍了进程管理、文件系统管理、中断处理等内容。通过对李春杰老师的课程学习，深入理解了中断异常处理机制；跟随孟宁老师的指导，掌握了Linux系统函数调用的工作原理。

Linux课程总结

本学期，在linux操作系统分析这门课中，老师首先详细的从多个方面为我们展现了Linux操作系统中的方方面面。李春杰老师主要讲解了进程管理、文件系统管理、中断与异常发生的始终等几个方面。让整个Linux更加完整而清晰的展现在了我们的面前。

这其中给我印象最深刻的部分便是中断异常的处理了。这一部分在408中曾经粗浅的学习过一些，但是在这门课上，李春杰老师从不同的角度进行了更加深入的分析，使我对于这部分知识有了更加深刻的了解。从前我认为中断只是进行了简单的设备和CPU之间的通信，在学完了这门课后我认识到了我知识的不完整。

首先是中断的产生部分，中断控制器监视IRQ线，接受引发信号；将信号转换为对应的中断向量（一个数），通过INTR引脚发送，产生中断，并维持电压等待CPU的应答。这是CPU将会得到中断向量，读IDTR寄存器都确定指向IDT表的第i项，读GDTR寄存器获得GDT的基地址，找到IDT表项中的段选择符标识的段描述符，在判断中断合法后进行下一步操作。CPU将会检查进入中断的进程当前状态，根据内核态和用户态的不同来进行操作。如果是从用户态进入的，将会开启新的内核态堆栈，保存相关寄存器的值，在这之后开始真正的处理中断。在处理程序执行完成后，会再此根据进入时的特权级进行不同的操作，来还原中断前的上下文，返回原来的特权等级。

不同于李春杰老师着重于对底层代码的梳理，孟宁老师更加着重与整个Linux运行的原理。孟宁老师从目前的操作系统生态环境入手，为我们展示了操作系统的发展历程，带我们看到了不同架构、不同时代的操作系统运行的差别，通过实际的代码为了们展示了ISA寄存器、操作系统寻址方式以及一些常用的指令。从较为宏观的角度出发，引领我们形成对Linux操作系统整体上的认识。

孟宁老师对于Linux系统中出现的函数调用情况的讲解，给我留下了深刻的印象。老师通过清晰明了的图像，为我们展现了函数调用时内存堆栈发生的变化。当发生函数调用时，首先系统会将新函数所调用的函数实参反向压栈，然后为恢复环境做准备，将当前的环境中存在的变量全部保存压栈。接下来保存函数的返回地址，当新函数执行完毕后程序将回到这个位置继续执行。然后用堆栈帧指针，多数情况下是ebp指向这里，接下来为新的函数预分配地址空间，使用栈顶指针指向新函数地址空间的最小值开始执行。对Linux系统函数调用的讲解，不仅帮助我更好的理解了Linux系统执行的原理，也帮助我更好的学习了其他课程。

实验一：mykernel

//下载mykernel2.0
wget https://raw.github.com/mengning997/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
//安装相关工具
sudo apt install axel
sudo apt install build-essential gcc-multilib
sudo apt install qemu-system-x86
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
//下载内核源码，并解压
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
//在源码目录下进行后续操作，配置文件并编译
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)
    
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

在qemu中可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler在周期性执行

请添加图片描述

遇到的问题：一开始在gitee上下载的补丁，报错。后来改为github没有问题了

实验二：debug mykernel

首先需要在ubuntu上安装vscode，这里直接在商店中下载安装

安装调试工具

sudo apt install build-essential gcc-multilib
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

下载源代码

sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34

这里借助一个 Python 脚本来生成 compile_commands.json 文件帮助Intellisense正常提示

python ./scripts/gen_compile_commands.py

配置内核选项

make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make menuconfig

Kernel hacking —>
Compile-time checks and compiler options —>
[*] Compile the kernel with debug info
[*] Provide GDB scripts for kernel debugging
[*] Kernel debugging

# 关闭KASLR，否则会导致打断点失败

Processor type and features ---->
[] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

编译内核

make -j2

生成根文件系统

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2

tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2

cd busybox-1.31.1

make menuconfig
# 记得要编译成静态链接，不用动态链接库。
Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs)
    
# 然后编译安装，默认会安装到源码目录下的 _install 目录中。
make -j$(nproc) && make install

制作内存根文件系统镜像

mkdir rootfs

cd rootfs

cp ../_install/* ./ -rf

mkdir dev proc sys home

sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

准备init脚本放在根文件系统根目录下

touch init

#添加如下内容到init文件。

#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
echo "Wellcome MengningOS!"
echo "--------------------"
cd home
/bin/sh

给init脚本添加可执行权限
chmod +x init
    
打包成内存根文件系统镜像
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz 

测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

命令行使用gdb调试内核

# 纯命令行下启动虚拟机
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"

cd linux-5.4.34/

gdb vmlinux

(gdb) target remote:1234

(gdb) b start_kernel

c、bt、list、next、step....