课程学习总结报告

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结构基础

linux结构

可以大致分为用户态和内核态。内核从本质上看是一种软件——控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源，包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。
在⽤户态（低级别指令），代码能够掌控的范围会受到限制。
在⾼的执⾏级别下，代码可以执⾏特权指令，访问
任意内存，这时 CPU 的执⾏级别对应的就是内核态，所有的指令包括特权指令都可以
执⾏。

进程地址空间结构

这里要明白几个常识，首先，进程的地址空间包含4个部分：操作系统内核、代码段、数据段和栈段。
出于性能原因，地址空间通常分为两半，一部分由程序使用，一部分是内核的地址空间。内核的内存部分是程序的无法访问的，但内核本身可以读取程序的内存。这是将数据传递给内核函数的方法之一。
代码段：构成程序的可执行文件和库。主可执行文件及其所有库都被加载到进程的地址空间中，因此它们的所有的函数都具有内存地址。
数据段：程序用来存储它正在处理的数据的内存，通常称为堆。例如，这可以用于存储当前正在编辑的文档、正在查看的网页或者正在播放的游戏。
栈段：进程中的每个线程可以共享代码段和数据段，但是都有自己的堆栈段。栈段是一块内存，用于跟踪线程当前正在运行的函数，以及所有父函数 - 被调用以获取当前函数的函数。

从上面的分析中，我们要记住重要的一点，在地址空间中，栈是从高地址向低地址增长的。
调用栈是更通用的“栈（stack）”数据结构的专用版本。栈是用于存储对象的可变大小的结构。可以将新对象添加（“push”）到堆栈的顶部，并且可以从堆栈中移除（“pop”）对象。只有堆栈的顶部可以使用push或pop进行修改。

中断处理

为什么要有中断

处理器的速度一般比外设快得多；因此，只有当外设正真完全准备好了，CPU才会转过来处理外设。中断就是满足上述条件的一种解决方法。

中断和异常的区别

中断是异步的，由硬件产生。异常是同步的，在特殊或是出错的指令执行时由CPU控制单元产生。

中断的产生

1. 中断控制器见识IRQ线，对引发信号检查。
2. 如果出现信号，把信号转换成对应的中断向量。
3. 将向量存放在中断控制器的一个I/O端口，允许CPU通过数据总线读取这个向量。
4. 把信号发送到处理器的INTR引脚，即产生一个中断。
5. 等待CPU处理。

中断描述符表

中断描述符表(IDT)，是一张系统表。

1. 每个中断或异常在表中有相应的中断或异常处理程序的入口地址。
2. 每个描述符8个字节，共256项，占用2KB
3. 内核在允许中断前，必须适当初始化IDT

CPU的正常运行

1.执行指令， cs,eip记录了下一条要执行的指令的逻辑地址。
2. 执行指令之前，CPU控制单元会检查前一条指令运行时是否发生了中断或异常
3. 如果发生了中断或异常：
   1. 确定中断或异常的向量i
   2. 从idtr寄存器中找到IDT的地址，从IDT中找到第i项
   3. 从gdtr寄存器中找到GDT的地址，从GDT找到IDT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
4.检查是否发生了特权级变化，一般指是否由用户态变为内核态
1.ss、esp、eflags、cs、eip依次入栈
2.硬件出错码入栈
5.如果发生的是故障，在异常处理后再次执行

中断/异常返回

在中断/异常处理完成后，会执行iret指令：

1. 将保存在栈中的值装在cs、eip和eflags寄存器，由出错码就弹出
2. 检查处理程序的特权等级，判断是否运行在内核态。如果是，就进行下一步
3. 从栈中装载ss和esp，返回原来的栈空间
4. 检查段寄存器

中断处理

（1） 发生中断后，CPU执行异常向量vector_irq的代码。
（2）在vector_irq里面，最终会调用中断处理程序总入口函数asm_do_IRQ();并且把中断号irq传进来。根据中断号，找到中断号对应的irq_desc结构。
（3）asm_do_IRQ()根据中断号调用irq_desc[NR_IRQS]数组中的对应数组项中的handle_irq();handle_irq是这个或这组中断的处理函数入口。
（4）handle_irq()会使用chip的成员函数来设置硬件，例如清除中断，禁止中断，重新开启中断等；
（5）handle_irq逐个调用用户在action链表中注册的处理函数。

系统调用

1. 应用程序 代码调用系统调用( xyz )，该函数是一个包装系统调用的 库函数 ；
2. 库函数 ( xyz )负责准备向内核传递的参数，并触发 软中断 以切换到内核；
3. CPU 被 软中断 打断后，执行 中断处理函数 ，即 系统调用处理函数 ( system_call)；
4. 系统调用处理函数 调用 系统调用服务例程 ( sys_xyz )，真正开始处理该系统调用。
   

进程管理

进程概念

进程是进程实体 的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一 个独立单位
特征：

• 进程控制块(PCB)+程序段+相关的数据段=进程实体
• 动态性
• 并发性
• 独立性
• 异步性

进程的组成

• 进程控制块：进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构，它 称为任务结构体。当一个进程被创建时，系统就为该进程建立一个 task_struct任务结构体。当进程运行结束时，系统撤 消该进程的任务结构体。进程的任务结构体是进程存在的唯一标志。
• 进程上下文：把系统提供给进程的处于动态变化的运行环境总和称为进程上下文。
• 进程栈：linux系统为每个用户进程分配了两个栈：用户栈和内核栈。内核进程只有内核栈，没有用户栈。
• 进程的状态：运行态、可运行态、等待态、暂停态、僵死态。
  

进程控制

进程链表

为了对给定类型的进程进行有效的搜索，内核维护了几个进程链表。一般进程链表是双向链表。

进程切换

进程切换本质上由两步完成：

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，例如：CPU寄存器等

进程创建

linux提供了几个系统调用来创建和终止进程：
fork,vfork,clone来创建新进程
exec执行一个新程序
exit来终止进程

进程撤销

撤销过程分为：

1. 进程终止：释放进程占有的大部分资源
2. 进程删除：彻底删除进程的所有数据结构

进程调度

进程调度算法：

1. 先进先出：总把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机便一直执行下去，直到进程完成或阻塞时，才释放处理机。
2. 最短CPU运行期优先：从就绪队列中选出一个执行时间最短的进程，分配处理机。
3. 最高优先权优先调度算法：总把处理机分配给就绪队列中最高优先级的进程。
4. 时间片轮转：进程按照FIFO规则排队，按一定的时间间隔分配处理机。

调度时机

1. 进程状态发生变化
2. 当前进程时间片用完
3. 进程从系统调用返回到用户态
4. 中断处理后，进程返回到用户态

Linux进程调度策略

• linux的进程调度是基于优先级的调度。进程的优先级是动态的，避免了进程饥饿。
• linux进程分为普通进程和实时进程，实时进程的优先级高于普通进程。实时进程的优先级范围为1~99
• 普通进程采用普通进程的时间片轮转算法
• 实时进程采用实时进程的先进先出或实时进程的时间片轮转算法

时钟

ps:这里学得确实比较菜。。。

时钟类型

时钟中断源

相对时间和墙上时间

驱动基础

ps:这里的代码看得太晕了。。。不知道该看什么了。。。

字符设备的打开

字符设备文件的打开：
系统调用open打开一个字符设备时，通过系统调用sys_open进入内核空间。在内核空间将主要由do_sys_open函数负责发起整个设备文件打开操作，它首先要获得该设备文件所对应的inode，然后调用其中的i_fop函数，对字符设备节点的inode而言，i_fop函数就是chrdev_open。Chrdev_open根据设备号，在字符设备驱动模型中查找对应的驱动程序。设置inode->i_cdev，指向找到的cdev；将inode添加到cdev->list的链表中。使用cdev的ops设置file对象的f_op，如果ops中定义了open方法，则调用该open方法，返回。执行完chrdev_open()后，file对象(filp文件描述符)的f_op指向cdev的ops（file_operations）,因而此后对设备进行的read\write等操作，就会执行cdev的相应操作（根据filp中的f_op就可以调用到该文件所对应的设备驱动上实现的函数）

文件系统

ps:这里就只能看重点强调了。。。

文件打开和关闭

应用程序对open ( )的调用将引起内核调用服务例程sys_open ( )函数，该函数接收的参数为：要打开文件的路径名和访问模式等。该系统调用成功后将返回一个文件描述符，也就是文件对象指针数组的一个索引；系统调用不成功时返回-1。
用户程序通过close ( )系统调用关闭打开的文件，该函数接收的参数为要关闭文件的文件描述符。内核服务例程为sys_close ( )函数。

VFS的作用

虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。
为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。

fd的定义

为什么read一个文件之前一定要open一个文件

用户进程在读/写一个文件之前必须先打开这个文件。所谓打开文件实质上是在进程与文件之间建立连接，而打开文件描述符唯一地标识着这个连接。

同一个进程，打开两个不同文件，返回的两个fd一不一样

内核中，对应于每个进程都有一个文件描述符表，表示这个进程打开的所有文件。文件描述表中每一项都是一个指针，指向一个用 于描述打开的文件的数据块———file对象，file对象中描述了文件的打开模式，读写位置等重要信息，当进程打开一个文件时，内核就会创建一个新的file对象。需要注意的是，file对象不是专属于某个进程的，不同进程的文件描述符表中的指针可以指向相同的file对象，从而共享这个打开的文件。file对象有引用计数，记录了引用这个对象的文件描述符个数，只有当引用计数为0时，内核才销毁file对象，因此某个进程关闭文件，不影响与之共享同一个file对象的进程。

建议

有几节课上完很晕，就是时钟，驱动，还有文件的前半部分，代码多记不住，又由于是线上课，老师的表达有限，所以很是懵，特别是驱动那里，复习都不知道怎么复习，不像中断的课件，结构和条理都很清晰。时钟那边是一开始不清楚学时钟是干嘛用的，一开始上得比较懵，全是介绍不同的时钟源，所以学得也比较差。。。。所以，能不能麻烦老师，每个课件开始的时候先介绍下整节课的流程，就像中断和进程那样的结构，还有，代码太多了。。。在介绍调用什么函数之前应该先有一个总体的函数调用的流程图，以及函数的功能介绍，走一步说一步我们跟不上呀。。。而且这样也不方便复习。

最后，预言一波

押5个大题

• 系统调用的过程
• 中断处理流程
• 字符设备文件的打开
• open函数的执行过程
• 挂载的全过程
  押中了记得点赞，祝大家期末全过。。。