linux.txt

一份精简的linux内核源代码

1.中断
当80X86启动时，ROM BIOS中的程序会在物理内存地址0X0000:0X0000处初始化并设置中断向量表，而各中断的默认中断服务程序则在BIOS中给出。
在BIOS执行初始化操作时，它设置了两个8259A芯片支持16个硬件中断向量和BIOS提供的中断号为0X10-0X1F的中断调用功能向量。对于实际没有使用的向量则填入零时的哑中断服务程序的地址。
对LINUX系统，除了在刚开始加载内核时需要用到BIOS提供的显示和磁盘读操作中断功能，在内核正常运行之前则会在SETUP.S中重新初始8259A芯片，并抛弃BIOS所提供的 功能，重新设置中断向量表。
当INTEL CPU运行在32位的保护模式下时，使用IDT（中断描述符表，除中断服务地址外，还有特权级和描述符等信息）来处理中断。
对于中断INT0--INT31（0X00--0X1F），由INTEL公司保留，称为异常，属于软中断。
LINUX系统中，将INT32--INT47(0X20--0X2F)对应于8259A中的IRQ0--IRQ15，将程序编程发出的系统调用中断设置为INT128（0X80），系统调用中断是用户程序使用操作系统资源的唯一界面接口。
初始化时，内核在HEAD.S中首先使用一个哑中断向量对IDT中的256个描述符进行默认设置（BOOT/HEAD.S,78）。这个哑中断向量指向一个默认的“无中断”处理过程（BOOT/HEAD.S,150）。内核在后续的初始化中，将重新置中断向量，通常，异常中段处理过程（INT0--INT31）都在KERNL/TRAPS.C,181。系统调用中断INT128在KERNEL/SCHED.C,385。
在设置中断描述符表IDT时，通过设置标志寄存器EFLAGS中的中断允许标志IF来屏蔽其它中断的干扰。
CLI  ：复位标志寄存器EFLAGS中的中断允许标志IF，使得系统在执行CLI之后不会相应外部的中断。
STI  ：使CPU能响应外部中断。


2.系统调用
用户程序通过调用INT128(INT0X80)中断，并在EAX寄存器中指定系统调用的功能号来使用内核资源，包括系统硬件资源。
通常系统调用使用函数调用的形式，其中寄存器EAX中存放着系统调用号，EBX、ECX、EDX中存放参数。返回值为负表示错误，0表示成功。出错时，错误的类型码被放在全局变量ERRNO中，通过调用PERROR()可以打印出出错信息。
处理系统能够调用的过程是是KERNEL/SYSTEM_CALL.S中的SYSTEM_CALL。
在LINUX内核中，每个系统调用都有唯一的一个系统调用功能号（INCLUDE/UNISTD.H,60）。如，WRITE()的系统调用红能号是4，定义为符号__NR_write。这些系统调用的功能号实际上对应于INCLUDE/LINUX/SYS.H中定义的系统调用处理程序指针数组表sys_call_table[]中的索引值。因此WRITE()系统调用的处理程序指针就位于该数组的项4处。
INCLUDE/UNISTD.H,133--183定义了4种系统调用宏函数（0参数，1参数，2参数，3参数），通过这些宏函数，用户程序可直接进行系统调用，实时上C函数中的函数调用系统调用的方式也是如此。

/*某一用户态进程执行系统调用时，堆栈中各寄存器的偏移位置*/
EAX		= 0x00 /* 这些为执行system_call时，中断处理程序手动压入堆栈的信息*/
EBX		= 0x04
ECX		= 0x08
EDX		= 0x0C
FS		= 0x10
ES		= 0x14
DS		= 0x18
EIP		= 0x1C /* 这些为用户态程序调用系统调用时自动压入堆栈的信息*/
CS		= 0x20
EFLAGS		= 0x24
OLDESP		= 0x28
OLDSS		= 0x2C

当一个内核态程序调用系统调用，执行完后直接返回；当一个用户态程序调用系统调用，执行完后将先进行信号处理然后再返回。

3.系统时间
初始化时，LINUX通过INIT/MAIN.C中的TIME_INIT()函数读取RT/CMOS RAM电路（存放时间）中的当前时间，并通过KERNEL/MKTIME.C中的KERNEL_MKTIME()函数转换成从1970年1月1日0：00开始的以秒为单位的时间（UNIX日历），并保存于全局变量STARTUP_TIME中，通过TIME()系统调用可读取STARTUP_TIME的值，超级用户可通过STIME()系统调用来修改该值。
通过将STARTUP_TIME(秒，从1970年1月1日0：00开始志开机为止)和JIFFIES(毫秒，从开机开始到现在)相加及为当前系统时间。
PC机的可编程定时芯片（INTEL 8254，每隔一段时间发出一个脉冲）的输出引脚被接在了中断控制芯片（8259A）的IRQ0（时钟中断请求）上，因此系统每过10毫秒就会收到一个时钟中断请求（IRQ0），我们称其为系统时钟周期，因此每过10毫秒，系统会调用一次时钟中断处理程序（TIMER_INTERRUPT，用于累加JIFFIES变量），然后调用C函数DO_TIMER作进一步的处理。
DO_TIMER（）的参数CPL为被中断程序的段选择符中表当前代码特权级。若CPL＝0表示进程运行在内核态时被中断，因此进程的内核态运行时间（STIME）增1；否则进程的用户态运行时间增1。
若某个定时器时间到（递减为0），则调用该定时器(软件，仅供内存使用，最多64个，在需要时动态创建，在到点时动态撤销，定时器的代码在SCHED.C,264--336)的处理程序，然后将当前进程运行时间片（一个进程在被切换之前所能持续运行的CPU时间，单位10毫秒）减1，若时间片仍大于0则退出DO_TIMER()继续运行当前进程；否则表示该进程已用完了此次使用CPU的时间片，此时如果当前进程工作在用户态，则DO_TIMER（）会调用进程调度程序SCHEDULE()切换到其它进程中去，此时如果当前进程工作在内核态，则DO_TIMER()立即退出。


4.进程控制
LINUX中第一个进程是手工建立的，其它进程都是通过FORK()系统调用建立的。
内核通过进程表对进程进行管理，进程表项是一个TASK_STRUCT结构指针即PCB进程控制块(INCLUDE/LINUX/SCHED.H中)。
在系统初始化时，在第一次调用EXECVE()之前，系统创建的所有任务的EXECUTABLE都是0(即未打开任何执行文件)。
CPU的所有寄存器中的值、进程的状态及堆栈中的内容被称为该进程的上下文，当发生进程切换时，当前进程的上下文被保存在PCB中；当发生中断时，内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。
某一进程在内核态执行时，若需要等待某一资源，可通过调用sleep_on或interruptible_sleep_in()自愿放弃CPU使用权。此时，该进程处于"睡眠态"，此时该进程才能被切换。在内核态下运行的进程不能被其它进程抢占，而且一个进程不能改变另一个进程的状态，内核在执行临界区代码时会禁止一切中断。

5.堆栈
linux中使用了4种堆栈。a.系统引导初始化是临时使用的堆栈。b.进入保护模式之后提供内核程序初始化使用的堆栈，位于内核代码地址空间固定位置。该堆栈也是后来任务0使用的用户态堆栈。在init/main.c中，在执行move_to_user_mode()把控制权移交给进程0之前，系统一直使用该堆栈，而在执行过move_to_user_mode()之后，main.c的代码被切换成进程0中执行。通过执行fork()，main.c中的init()将在进程1中执行，并使用进程1的堆栈。而main()本身则在被切换为进程0后，仍然继续使用该堆栈作为其用户态堆栈。(sched.c的user_stack[]数组)c.每个任务通过系统调用，执行内核程序时使用的堆栈（内核态堆栈），每个任务都有自己独立的内核态堆栈。当一个进程进入内核态运行时，就会使用其tss种给出的特权级0的堆栈指针tss.ss0,tss.esp0,即内核栈。d.任务的用户态堆栈，位于任务逻辑地址空间末端处。
用户态堆栈：0 代码 数据        堆栈 参数 环境变量 64mb
内核态堆栈：0 PCB   堆栈 1页
当进行特权级发生变化的控制权转移时，目的代码会使用新特权级的堆栈，而原特权级代码堆栈指针将保留在新堆栈中。
当一个进程从用户态转换为内核态时：首先，CPU会从当前进程的TSS中取得内核态的ss及esp，然后将当前用户态的SS及ESP压入内核堆栈，随后把eflags（标志寄存器）和cs,eip（返回地址）压入内核态堆栈中。
如果一个任务正在内核态运行，若此时响应中断，则只需压入eflags和cs,eip而无需压入ss,esp。
intel CPU先递减堆栈指针，然后再进行进出栈操作。

6.文件系统
linux引导启动时，默认使用的文件系统是根文件系统。其中包括一些配置文件和命令执行程序：
ect/目录主要含有一些系统配置文件
dev/含有设备特殊文件，用于使用文件操作语句操作设备
bin/存放系统执行程序，如sh,mkfs,fdisk
usr/存放库函数，手册和其它一些文件
user/bin常用命令
var/用于存放系统运行时可变的数据或日志
存放文件系统的设备就是文件系统设备。如windows2000的c盘就是文件系统设备，按一定规则窜坊文件就组成文件系统，如windows2000的ntfs或fat32。
当linux加载根文件系统时，会根据启动盘上引导扇区509，510字节处的一个字（ROOT_DEV）中的根文件系统设备号指定的设备中加载根文件系统，如c就会在c盘中加载。
make工具通过识别哪些文件被改过，从而决定哪些文件需要重新编译。
bootsects和setup.s为实地址模式需要as86来编译，head.s为需要GNUas来编译。
bootsect.s程序是磁盘引导块程序，编译后会驻留在磁盘的第一个扇区中。在PC加电ROM BIOS自检后，将被BIOS加载到内存0x7c00处并执行。
setup.s主要用于读取硬件配置，并把讷河模块system移动到适当位置。
head.s会被编译连接在system模块的最前部分，主要进行硬件设备的探测设置和内存管理页面的初始设置。

7.编译（p70认真看）
linux中经编译后的2进制文件格式：
执行头部分：目标文件的整体信息，如：代码和数据部分的长度，对应原文件的名称。内核使用这些参数把该文件加载到内存中执行；连接程序使用这些信息来连接各模块。
代码段部分：指令和数据。
数据段部分：指令和数据，含有已经被初始化的数据，总是被加载到可读写的内存总。