linux操作系统学习

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Linux简介

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Linux 内核采用宏内核架构，即 Linux 大部分功能都会在内核中实现，如进程管理、内存管理、设备管理、文件管理以及中断和异常等功能，它们是运行在内核空间中。

冯诺依曼体系结构如图所示，包含运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大基本类型部件。其特点是数据与代码不做区分。
CPU通过eip寄存器中指向的指令，不断读取下一条指令来执行，CPU负责解释和执行这些指令，它们通过总线连接起来。

一、进程管理

进程管理是操作系统功能的核心功能。
在 Linux 内核中，进程调度控制系统中的多个进程对 CPU 的访问，从宏观上看，系统中的进程在 CPU 中是并发执行的。此外内核通过系统调用提供了应用程序编程接口，例如：创建新进程（fork，exec），结束进程（kill，exit），同步进程和进程间通信的接口。

1、进程的结构：

内核堆栈：有进程专有的系统堆栈空间（也可以称之为内核堆栈空间）。在内核中有一个 task_struct 数据结构，即进程控制块。有了这个数据结构，进程才能被内核调度器识别并参与内核调度，除此之外它还记录着进程所占有的各项资源。
用户堆栈：除上述内核系统堆栈空间外，进程还需要有独立的用户堆栈空间，这就是 mm_struct 数据结构，该数据结构位于 task_struct 结构中，字段名称为 mm。

2、进程的堆栈：

内核在创建一个新的进程（创建进程控制块 task_struct） 时，为进程创建堆栈。
一个进程有 2 个堆栈，即用户堆栈和系统堆栈；用户堆栈的空间指向用户地址空间，内核堆栈的空间指向内核地址空间。
当进程在用户态运行时，CPU 堆栈指针寄存器指向用户堆栈地址，使用用户堆栈。
当进程运行在内核态时，CPU 堆栈指针寄存器指向的是内核堆栈空间地址，使用内核堆栈。

3 、进程与线程的区分：

每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。
从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。

二、时间管理

1、两种主要的定时测量：

保存当前的时间和日期，以便能通过time(), ftime()和gettimeofday()系统调用把它们返回给用户程序。

维持定时器，这种机制能够告诉内核或用户程序某一时间间隔已经过去了。

2、Linux的计时体系结构

更新自系统启动以来所经过的时间
更新时间和日期
确定当前进程的执行时间，考虑是否要抢占
更新资源使用统计计数
检查到期的软定时器

3、时钟和定时器电路

时钟电路用于跟踪当前时间和产生精确的时间度量。

定时器电路由内核编程，所以它们以udingde，预先定义的频率发出中断。

时钟电路的分类

用于跟踪当前时间
实时时钟RTC
时间戳计数器TSC
产生周期性的时钟中断，用于计时
可编程间隔定时器PIT

三、中断和异常

1、 中断

中断通常被定义为一个事件，该事件改变处理器执行的指令顺序。

中断通常分为同步中断和异步中断。

同步中断（中断）是当前指令执行时由CPU控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后CPUT才会发出中断。
异步中断（异常）是由其他硬件设备依照CPU时钟信号随机产生的。

2、异常

异常：处理器探测异常，故障，陷阱，异常中止，编程异常

3、中断向量

向量： 每个中断和异常是由0~255之间的一个数来标识。Intel把这个8位的无符号整数叫做一个向量。非屏蔽中断的向量和异常的向量是固定的，而可屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的编程来改变。

IRQ：每个能够发出中断请求的硬件设备控制器都有一条名为IRQ的输出线。所有现有的IRQ线都与一个名为可编程中断控制器的硬件电路的输入引脚相连。
IRQ线从0开始编号，与IRQn关联的Intel的缺省向量是n+32。

4、中断处理

1、确定与中断或者异常关联的向量i（0~255）

2、读idtr寄存器指向的IDT表中的第i项

3、从gdtr寄存器获得GDT的基地址，并在GDT中查找，以读取IDT表项中的段选择符所标识的段描述符

4、确定中断是由授权的发生源发出的。

5、检查是否发生了特权级的变化，一般指是否由用户态陷入了内核态。

6、若发生的是故障，用引起异常的指令地址修改cs 和eip寄存器的值，以使得这条指令在异常处理结 束后能被再次执行

7、在栈中保存eflags、cs和eip的内容

8、如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中

9、装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量字段。这对寄存器值给出中断或者异常处理程序的第一条指定的逻辑地址

四、设备管理

设备子系统又被称之为设备驱动，如 LCD、摄像头、USB、音频等都是属于设备，且设备的厂商不同其驱动程序也是不同的，但是对于 Linux 来说，不可能去将每个设备都包含到内核，它只能抽象去描述某种设备。

系统调用层是 Linux 内核与应用程序之间的接口，而设备驱动则是 Linux 内核与硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作（打开、读、写和关闭）。

设备驱动程序是内核的一部分，主要功能：
对设备初始化和释放
把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据
读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据
检测和处理设备出现的错误

五、Linux内核编译

1、下载内核源码

2、解压内核源文件，命令如下：

tar -xvf  压缩包名称

3、进入解压后的文件夹：
4、配置内核，命令如下：

make menuconfig 

如图：
进入到该图形界面后，进行内核配置，按照默认进行配置就行。

5、使用如下命令，进行编译：

sudo make -j8
sudo make modules_install
sudo make install 
reboot

其中，j8表示分成8个进程运行，以加快速度，建议使用机器的所有CPU核来进行编译以加快速度，但是也要1个多小时的时间。

6、重启系统后，出现选择内核的界面，说明内核编译成功。

六、debug Linux

1、安装qemu

linux 系统的运行需要在一个完整的电脑上运行,而我们在debug时，需要一个硬件模拟软件，所以我选择qemu作为模拟软件，这是一个轻量级的硬件模拟软件。
安装命令如下：

apt-get install qemu
apt-get install qemu-system

2、运行linux

cd /home/openSource/linux-4.15
vim debug.sh

3、用GDB调试

[linux-4.19.172]$ gdb 
(gdb) file vmlinux           # vmlinux 位于目录 linux-4.19.172 中
(gdb) target remote :1234
(gdb) break start_kernel     # break设置断点
(gdb) c                      # 启动调试，则内核会停止在 start_kernel 函数处

结果如图所示：

7、总结

首先感谢孟老师和李老师的谆谆教导。经过这个学期对于Linux的学习，我加深了对于Linux系统的理解。我印象较深的部分是，对于中断处理的讲解让我受益匪浅，整个中断过程结合代码讲解的很详细，设备产生中断，并通过中断线将中断信号送往中断控制器，如果中断没有被屏蔽则会到达CPU的INTR引脚，CPU立即停止当前工作，根据获得中断向量号从IDT中找出中断描述符，并执行相关中断程序。
总结来说有5个步骤：
1.中断请求 2.中断响应 3.优先级比较 4.提交中断向量 5.中断结束。
本篇文章就是我对于课程的总结，请老师多多指教。