操作系统是如何工作的

1. 小结：计算机是怎样工作的

三个法宝

存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制

两把宝剑

中断上下文、进程上下文的切换

2. 堆栈

• 堆栈是C语言程序运行时必须的一个记录调用路径和参数的空间。
  • 函数条用框架
  • 传递参数
  • 保存返回地址
  • 提供局部变量空间…

• 堆栈相关寄存器：

  esp：堆栈指针——指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶
  ebp: 基址指针——指向系统栈最上面一个栈帧的底部
  cs:eip：指令寄存器——指向下一条等待执行的指令地址

• 堆栈相关操作：
  • push ：栈顶地址减少4个字节
  • pop： 栈顶地址增加4个字节
  • call：将当前cs：eip值压栈，cs：eip指向被调函数入口地址。
  • ret：从栈顶弹出原来保存在此的cs：eip值，放入cs：eip中。

  • leave：当调用函数调用时，一般都有这两条指令pushl %ebp和movl %esp,%ebp，leave是这两条指令的反操作。

3. 函数调用约定

• • • 调用函数的代码和被调函数必须采用相同的函数的调用约定，程序才能正常运行。

      Windows中C/C++程序的缺省函数调用约定是__cdecl
      linux中gcc默认用的规则是__stdcall

4、C代码中嵌入汇编代码的写法

__asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)

• 汇编语句模板

       汇编语句模板由汇编语句序列组成，语句之间使用“;”、“\n”或“\n\t”分开。指令中的操作数可以使用占位符引用C语言变量，操作数占位符最多10个，名称如下：%0，%1，…，%9。

• 输出部分

       输出部分描述输出操作数，不同的操作数描述符之间用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C语言变量组成。

• 输入部分

       输入部分描述输入操作数，不同的操作数描述符之间使用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式或者C语言变量组成。

• 破坏描述部分

       破坏描述符用于通知编译器我们使用了哪些寄存器或内存，由逗号格开的字符串组成，每个字符串描述一种情况，一般是寄存器名；除寄存器外还有“memory”。

• 限制字符

       限制字符有很多种，有些是与特定体系结构相关，它们的作用是指示编译器如何处理其后的C语言变量与指令操作数之间的关系。 

5.mykernel实验

1. cd LinuxKernel/linux-3.9.4

2. qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后cd mykernel 可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c

• 进程的启动

/*mymain.c*/
/* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* 将进程的sp赋给esp寄存器 */
        "pushl %1\n\t"          /* ebp入栈：因为在这里栈为空，esp=ebp，所以push的%1就是esp就是ebp。*/
        "pushl %0\n\t"          /* 进程入口ip入栈 */
        "ret\n\t"               /* 把进程入口ip赋给eip，即从这之后0号进程启动。*/
        "popl %%ebp\n\t"
        :
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );

• 进程的切换：

（1）.下一个进程next->state == 0 即正在执行时

/*myinterrupt.c*/
//两个正在运行的进程之间做进程上下文切换if(next->state == 0)
/* state值的含义：-1表示没有执行，0表示正在执行，>0表示停止，这里为0，即进程正在执行 */
{
    /* 以下是进程切换关键代码 */
    asm volatile(
        "pushl %%ebp\n\t"       /* 把当前进程的ebp保存*/
        "movl %%esp,%0\n\t"     /* 把当前进程的esp赋值到sp中保存下来*/
        "movl %2,%%esp\n\t"     /* 把下一个进程的sp放到esp中*/
        "movl $1f,%1\n\t"       /* 把eip保存起来，$1f指接下来的标号1:的位置*/
        "pushl %3\n\t"          /*把下一个进程的eip保存起来*/
        "ret\n\t"               /* 还原eip */
        "1:\t"                  /* 标号1，下一进程从此开始 */
        "popl %%ebp\n\t"
        : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    );
    my_current_task = next;
    printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
}

（2）.进程是一个新进程，还从未执行过

/*myinterrupt.c*/
/*这段代码是当进程从未执行过时，所执行的动作，即启动一个进程next->state = 0;    /* 首先要把进程置为运行时状态，作为当前正在执行的进程 */
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* 进程切换时的提示，从当前进程切换至下一进程*/
asm volatile(   //混合编程
    "pushl %%ebp\n\t"       /* 保存ebp */
    "movl %%esp,%0\n\t"     /* 保存esp */
    "movl %2,%%esp\n\t"     /* 将下一进程的sp存入esp */
    "movl %2,%%ebp\n\t"     /* 将下一进程的bp存入ebp，因为栈空，所以esp和ebp指向同一位置 */
    "movl $1f,%1\n\t"       /* 保存eip */
    "pushl %3\n\t"          /*保存当前进程入口 */
    "ret\n\t"               /* 还原eip */
    : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
    : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);  

• 实验截图