oranges 筆記第六章

OS 第六次實驗隨筆

第六章6.1-6.3相關的問題

1. 進程狀態保存與恢復

   • 哪些狀態
   • 什麼時候保存
   • 保存在哪
   • 如何恢復

2. 特權級變換

   • 用戶進程到內核
   • 內核回到用戶進程

3. 再次理解TSS 、堆棧

   • 從外環進入內環（特權級發生變化）時，如何訪問TSS？堆棧的變化

   • P193頁，中斷髮生的開始，ESP的值是剛剛從TSS裏面渠道的進程表A中regs的最高地址，上述過程的實現代碼在哪？

概述

1. 造成進程的必要考慮。咱們須要一數據結構來記錄一個進程的狀態，這樣方便進行進程切換時，能夠保存原來的進程狀態。進程被掛起時就將信息寫入這個數據結構，進程從新啓動時，這裏的信息就被從新讀取。

2. 因爲進程和進程調度運行在不一樣層級上，這裏爲了簡單，讓全部任務運行在ring1，讓進程切換運行在ring0。

簡單的進程

一個簡單的進程切換情形，一個進程在執行時，發生了時鐘中斷，特權級從ring1跳轉到ring0，開始執行時鐘中斷處理程序，中斷處理程序這時調用進程調度模塊，指定下一個應該運行的進程，當中斷處理程序結束時，下一個進程準備就緒並開始運行，特權級又從ring0跳轉回ring1：

1. 進程A運行中；
2. 時鐘中斷髮生，ring1->ring0，時鐘中斷處理程序啓動；
3. 進程調度，下一個應運行的進程（這裏設爲進程B）被指定；
4. 進程B被恢復，ring0 -> ring1；
5. 進程B運行中。

爲了實現這種進程切換，須要如下模塊：

• 時鐘中斷處理程序；
• 進程調度模塊；
• 兩個進程。

關鍵技術

進程的哪些狀態須要保存？

須要保存的是那些可能會發生改變的量，從寄存器和內存兩個角度考慮，由於不一樣進程之間的內存是互不干涉的，可是CPU卻只有一個，不一樣的進程共用同一個CPU的一套寄存器，因此應該保存寄存器的值，準備進程被恢復時使用。

保存的是處理機狀態信息，包括

a. 進程當前暫存信息；
b. 下一條指令地址信息；
c. 進程狀態信息；
d. 過程和系統調用參數及調用地址信息.

進程的狀態什麼時候以及怎樣保存？

爲了保證進程狀態完整不被破壞，在進程剛剛掛起時保存全部寄存器的值。保存的方法爲push（即存到PCB中），或者是push ad.

這些代碼應該寫在時鐘中斷例程的最頂端，以便中斷髮生時立刻被執行。

如何恢復？

保存使用的是push,恢復用的即是pop，將寄存器的值都恢復，而後執行指令iretd，回到對應進程。

進程表的引入

保存進程狀態的東西，即進程表，亦或進程控制塊（PCB）。

因爲會有對個進程，因此會有多個進程表，造成一個進程表數組。

進程表是描述進程的，必須獨立於進程以外。

進程棧和內核棧

1. 進程運行時，esp指向進程棧的某一塊；
2. 中斷髮生，從ring1到ring0，esp的值變爲TSS中預設的ring0下的esp的值；
3. 寄存器的值剛被保存到進程表中，這時候再進行堆棧操做會破壞進程表數組；
4. 這時候使用內核棧，使esp指向內核棧便可。

特權級變換

1. 發生有特權級變換的轉移時，若是是外層向內層轉移，咱們須要從TSS中取得從當前TSS中取出內層SS和esp做爲目標代碼的ss和esp，因此每一個進程都要有TSS，涉及的描述符應該放在局部描述符表LDT中，因此腰圍每一個進程準備LDT。
2. 利用iretd來實現ring0 到ring1的轉換。

ring0 -> ring1

restart

分析代碼

358行：將esp更改，即讓esp指向進程表，p_proc_ready指針指向的是下一個要啓動進程的進程表地址。

359行：設置ldt，esp+p_ldt_sel即指向進程表中的ldt_sel,可知在執行restart以前對ldt_sel進行了初始化

360、361：將進程表的第一個成員的regs末地址賦值給TSS中的ring0堆棧指針域（esp）。下一次執行中斷時。esp將變成regs的末地址。

時鐘中斷處理程序

這裏直接使用iretd

進程表，進程體，GDT和TSS

1. 須要初始化的寄存器有：cs ds es fs gs ss esp eip eflags
2. 要初始化LDT
3. 初始化TSS
4. 相關關係
   • 進程表和GDT。進程表內的LDT Selector對應GDT中的一個描述符，而這個描述符所指向的內存空間就存在於進程表內。
   • . 進程表和進程。進程表是進程的描述，進程運行過程當中若是被中斷，各個寄存器的值都會被保存進進程表中。可是，在 咱們的第一個進程開始以前，並不須要初始化太多內容，只須要知道進程的入口地址就足夠了。另外，因爲程序免不了 用到堆棧，而堆棧是不受程序自己控制的，因此還須要事先指定esp。
   • GDT和TSS。GDT中須要有一個描述符來對應TSS，須要事先初始化這個描述符
5. 初始化一個進程體
6. 初始化進程表
   • 定義進程表的結構體。
   • 初始化寄存器
   • 初始化LDT和LDT Selector
7. 準備GDT和TSS。

豐富中斷處理程序

時鐘中斷起做用

1. 首先在i8259.c的init8259a中打開中斷。

2. 設置EOI使中斷持續不停的發生

3. 爲了使中斷能夠被觀察，這裏經過改變屏幕第0行，第0列的字符來表示中斷在運行。中斷髮生時會一直變成下一個

4. 運行結果以下所示，此時截圖到了6

現場保護與恢復

爲何不用disp_str，而是直接使用move寫顯存？

這是由於disp_str會影響不少寄存器，進而可能致使對進程的影響。上面的改變al從結果上時沒有產生改變的但爲了不沒必要要的錯誤，咱們仍是將全部的寄存器都壓入堆棧，執行以後再恢復。

賦值 TSS.esp0

1. 中斷的發生伴隨着頻繁的特權級切換，特權級切換除了要有代碼的跳轉，還須要堆棧的切換。
2. 當從ring1回到ring0時，堆棧切換就須要TSS，TSS是用來存儲ring0的堆棧信息的，堆棧信息是ss和esp。
3. 進程運行時，tss.esp0應該是當前進程的進程表中保存寄存器值的地方，即s_proc中的s_stackframe的最高地址處。
4. 實現代碼分析
   • 首先是跳過四個字節，即跳過retaddr，獲得了進程表A中的regs的最高地址。
   • 而後是保存寄存器的值
   • 使ds,es,指向與ss相同的段
   • 接下來是同上面的屏幕顯示相關代碼；
   • 最後將esp+p_stacktop的值給eax，而後賦值給tss.esp0。下一次執行中斷時，esp將指向regs的末地址；
   • 而後將寄存器出棧，esp+4

內核棧

前面咱們知道，進程調度發生時，僅僅切換到進程表是不夠的，爲了防止進程表相應的棧的有關信息被破壞，咱們還要繼續切換棧，這時候就要用到內核棧了。

切換到內核棧的方法很是簡單，只需在原代碼的基礎上增長兩行move便可，切換的時機爲寄存器剛被壓入堆棧之後（壓入堆棧後就當即跳轉到內核棧，不然此時進行堆棧操做會影響進程表存儲的信息），以及對tss.esp0賦值以前（不然下次中斷就直接內核棧了）。

這裏增長了中斷顯示消息"^{"，因此會在下面顯示「}」,以下圖所示

中斷重入

爲了讓中斷髮生時，還能繼續接受中斷，咱們須要進行必定的修改。

1. CPU在響應中斷時，會自動的關中斷，這是咱們要人爲打開，因此要使用指令sti打開中斷，並在離開內核棧前用cli關閉中斷；

2. 爲了實驗的方便，咱們須要中斷處理的時間足夠長，因此增長了延時函數

3. 這樣會帶來一個問題，即當一次中斷未完成時，另外一箇中斷就發生，致使永遠沒法執行到中斷處理程序的結尾，做用於顯示上就是打印一個A0x0後一直打印^。

4. 而且因爲一直在壓棧而無出棧，會致使堆棧溢出。

5. 解決這個問題，須要讓中斷處理程序知道本身是否在嵌套執行。設置一個全局變量來實現，中斷處理程序執行時自加，結束時自減。這裏設置爲初始值爲-1.當結果不爲0時，說明未處理完髮生了中斷，這時直接跳到最後，結束新的中斷。

7. 運行結果以下，可知打印^的速度變慢了，說明不少程序執行了inc byte後並無執行disp_str。中斷重入已經解決，因此無需延時函數，最後運行結果如最下方所示

問題

取到進程表A中regs的最高地址的代碼

實現的代碼其實沒有，是CPU本身實現的

實驗

修改系統調用函數

將proc.c中的對應函數改成上述，即調用後指向下一個進程，若是進程爲最後一個，返回到進程表的第一個。

修改進程體

在a的地方，進行調用後面加入第二句話。在C處使用延時函數。