剖析Linux系统是如何工作的

wuyaya

Linux操作系统能够正常工作是建立在：存储程序计算机、函数调用堆栈机制和中断机制这三个基础之上的。而对操作系统的讨论可以归结到对进程运行情况的讨论，Linux操作系统中进程主要分为：内核线程和普通进程。其中内核线程只工作在内核态，主要负责操作系统的初始化和一些周期性管理任务，常见的有0号进程(idle进程)和1号进程(init进程 );而普通进程既可以运行在内核态，也可以运行在用户态。

    程序运行的过程中其实就是顺序从存储器里读取指令，然后利用函数调用堆栈机制不断入栈出栈(详见这里)。当一个进程在执行的过程中，可能会遇到各种事件，使其被挂起，内核调度CPU资源给进程队列中其他的进程，使其执行。Linux操作系统在宏观上来看，基本上就是这样：进程执行——>中断——>进程切换——>进程执行，这样循环往复进行工作。
    从微观上来看，相对复杂：进程队列中的某个进程A正在执行，由于某种事件(系统调用、时间片用完等)产生中断，从用户态转向内核态，在内核态中，首先进行SAVE_ALL，然后执行中断处理程序，在中断处理过程中或其结束后，由于某种原因(比如时间片用完等)，内核可能会进行进程调度，将当前进程切换为进程队列中的另一个进程B，然后RESTORE_ALL、iret，再由内核态转向用户态。若发生了进程切换，则必然会用到switch_to宏，将涉及到内核堆栈状态的变化，详见附录。
    附录
    存储程序计算机
    存储程序和程序控制原理的要点是，程序输入到计算机中，存储在内存储器中(存储原理)，在运行时，控制器按地址顺序取出存放在内存储器中的指令(按地址顺序访问指令)，然后分析指令，执行指令的功能，遇到转移指令时，则转移到转移地址，再按地址顺序访问指令(程序控制)。
    函数调用堆栈机制
    详见实验一：计算机是怎样工作的
    中断机制
    操作系统之所以具备如此强大的功能，很重要的一个原因是其具备中断处理这个机制。中断提供了一种特殊的方式，使处理器转而去运行正常控制流之外的代码。当一个中断信号到达时，CPU必须停止它当前正在做的事情，并且切换到一个新的活动。为了做到这一点，就要在内核态堆栈保存程序计数器的当前值(即eip和cs寄存器的内容)，并把与中断类型相关的一个地址放进程序计数器中。

    进程切换
    为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行，这叫做进程切换。进程切换可能只发生在精心定义的点：schedule()函数;从本质上说，每个进程切换由两步组成：
    1.切换页全局目录以安装一个新的地址空间;
    2.切换内核态堆栈和硬件上下文，因为硬件上下文提供了内核执行新进程所需要的所有信息，包含CPU和寄存器。
    每个进程可以拥有属于自己的地址空间，但所有进程必须共享CPU寄存器。因此，恢复一个进程的执行之前，内核必须确保每个寄存器装入了挂起进程时的值。

    进程切换的第二步由switch_to宏执行，该宏有三个参数，它们是prev，next，和last，其中，prev指向被替换进程的描述符，而next指向被激活进程的描述符，last则用来记录该进程是由哪个进程切换过来的。

     原文转自：http://emb.sunplusedu.com