嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)Spring2007上周一嵌入式Linux開發(fā)技術(shù)嵌入式Linux開發(fā)綜述Linux的配置和編譯根文件系統(tǒng)及其制作2上周二基于i386體系結(jié)構(gòu)的Linux啟動代碼分析linux/arch/i386/boot/bootsect.Slinux/arch/i386/boot/setup.Slinux/arch/i386/boot/compressed/head.Slinux/arch/i386/kernel/head.Slinux/arch/init/main.c3本次課基于i386體系結(jié)構(gòu)的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析一些基本概念堆棧用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)虛擬內(nèi)存內(nèi)存尋址4基于i386體系結(jié)構(gòu)的

Linux內(nèi)核分析：

一些預(yù)備知識聲明本課內(nèi)容涉及到的Linux的內(nèi)核分析，是基于Linux2.4.18內(nèi)核源代碼的，具有一定的典型性，但不一定適用于所有其他的Linux內(nèi)核版本6操作系統(tǒng)的基本概念任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都包含一個(gè)基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)。內(nèi)核（進(jìn)程管理，進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)程間通訊機(jī)制，內(nèi)存管理，中斷異常處理，文件系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)部分）其他程序（例如函數(shù)庫，shell程序等等）操作系統(tǒng)的目的與硬件交互，管理所有的硬件資源為用戶程序（應(yīng)用程序）提供一個(gè)良好的執(zhí)行環(huán)境7一個(gè)典型的Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用戶應(yīng)用程序Systemcall對硬件資源的管理Shell，libKernelimplementation8最簡單也是最復(fù)雜的操作在控制臺下輸入ls命令Shell程序分析輸入?yún)?shù)，確定這是ls命令調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用fork生成一個(gè)shell本身的拷貝什么是系統(tǒng)調(diào)用？為什么我們敲擊鍵盤就會在終端上顯示？fork是什么？為什么要調(diào)用fork？中斷的概念，終端控制臺設(shè)備驅(qū)動的概念保護(hù)模式和實(shí)模式，內(nèi)存保護(hù)，內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)相關(guān)問題進(jìn)程的描述，進(jìn)程的創(chuàng)建。COW技術(shù)系統(tǒng)調(diào)用是怎么實(shí)現(xiàn)的？軟中斷、異常的概念。陷阱門，系統(tǒng)門調(diào)用exec系統(tǒng)調(diào)用將ls的可執(zhí)行文件裝入內(nèi)存內(nèi)存管理模塊，進(jìn)程的地址空間，分頁機(jī)制，文件系統(tǒng)從系統(tǒng)調(diào)用返回如何做到正確的返回？堆棧的維護(hù)，寄存器的保存與恢復(fù)Shell和ls都得以執(zhí)行進(jìn)程的調(diào)度，運(yùn)行隊(duì)列等待隊(duì)列的維護(hù)9一些基本但很重要的概念堆棧內(nèi)核態(tài)vs用戶態(tài)虛擬內(nèi)存10堆棧堆棧是C語言程序運(yùn)行時(shí)必須的一個(gè)記錄調(diào)用路徑和參數(shù)的空間函數(shù)調(diào)用框架傳遞參數(shù)保存返回地址提供局部變量空間等等C語言編譯器對堆棧的使用有一套的規(guī)則了解堆棧存在的目的和編譯器對堆棧使用的規(guī)則是理解操作系統(tǒng)一些關(guān)鍵性代碼的基礎(chǔ)11堆棧寄存器和堆棧操作堆棧相關(guān)的寄存器esp，堆棧指針（stackpointer）ebp，基址指針（basepointer）堆棧操作push

棧頂?shù)刂窚p少4個(gè)字節(jié)（32位）pop

棧頂?shù)刂吩黾?個(gè)字節(jié)ebp在C語言中用作記錄當(dāng)前函數(shù)調(diào)用基址espebp高地址低地址esp12利用堆棧實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用和返回其他關(guān)鍵寄存器cs:eip：總是指向下一條的指令地址順序執(zhí)行：總是指向地址連續(xù)的下一條指令跳轉(zhuǎn)/分支：執(zhí)行這樣的指令的時(shí)候，cs:eip的值會根據(jù)程序需要被修改call：將當(dāng)前cs:eip的值壓入棧頂，cs:eip指向被調(diào)用函數(shù)的入口地址ret：從棧頂彈出原來保存在這里的cs:eip的值，放入cs:eip中發(fā)生中斷時(shí)？？？？？？？13//調(diào)用者…calltarget…//建立被調(diào)用者函數(shù)的堆棧框架

pushl%ebp

movl%esp,%ebp//拆除被調(diào)用者函數(shù)的堆?？蚣?/p>

movl%ebp,%esp

popl%ebp

ret//被調(diào)用者函數(shù)體

//dosth.…call指令：1）將下一條指令的地址A保存在棧頂2）設(shè)置eip指向被調(diào)用程序代碼開始處將地址A恢復(fù)到eip中14函數(shù)堆棧框架的形成

callxxx執(zhí)行call之前執(zhí)行call時(shí)，cs:eip原來的值

指向call下一條指令，該值被

保存到棧頂，然后cs:eip的值

指向xxx的入口地址進(jìn)入xxx第一條指令：pushl%ebp第二條指令：movl%esp,%ebp函數(shù)體中的常規(guī)操作，可能會壓棧、出棧退出xxxmovl%ebp,%esppopl%ebpretespebp高地址低地址cs:eipespebpespebpesp15C語言中還使用堆棧進(jìn)行參數(shù)的傳遞局部變量的使用16一段小程序

源文件：test.c這是一個(gè)很簡單的C程序main函數(shù)中調(diào)用了函數(shù)p1和p2首先使用gcc生成test.c的可執(zhí)行文件test然后使用objdump–S獲得test的反匯編文件17觀察p2的堆棧框架從test的反匯編文件中找到p2的反匯編代碼intp2(intx,inty){ push%ebp mov%esp,%ebp

returnx+y; mov0xc(%ebp),%eax add0x8(%ebp),%eax} pop%ebp ret建立框架拆除框架ebpespebp調(diào)用者堆?？蚣躤spebpyx高地址低地址18觀察main函數(shù)是如何傳遞參數(shù)給p2的 …z=p2(x,y); pushl0xfffffff8(%ebp) pushl0xfffffff4(%ebp) call804839b<p2> add$0x8,%esp mov%eax,0xfffffffc(%ebp)printf("%d=%d+%d\n",z,x,y); pushl0xfffffff8(%ebp) pushl0xfffffff4(%ebp) pushl0xfffffffc(%ebp) push$0x8048510 call80482b0<printf@plt> …p2的返回值是如何返回給main的？調(diào)用者堆棧框架espebpy的值x的值高地址低地址被調(diào)用者堆?？蚣躤bpcs:eipespebpespesp19ebp觀察main中的局部變量intmain(void){ push%ebp mov%esp,%ebp sub$0x18,%esp … charc='a'; movb$0x61,0xfffffff3(%ebp) intx,y,z; x=1; movl$0x1,0xfffffff4(%ebp) y=2; movl$0x2,0xfffffff8(%ebp) …調(diào)用者ebpespebpespespc=‘a(chǎn)’x=1y=2高地址低地址20eipeipeipeip觀察程序運(yùn)行時(shí)堆棧的變化main…p1(c)…p2(x,y)…p1p2mainp2p1程序的代碼段堆棧eipespmain堆棧ceipeipeipp1的堆棧espeipeipeipx，yeipp2堆棧eip21另一段小程序

和前一段小程序稍有不同在這個(gè)小程序中，main函數(shù)中調(diào)用了函數(shù)p2，而在p2的執(zhí)行過程中又調(diào)用了函數(shù)p122觀察程序運(yùn)行時(shí)堆棧的變化eipeipeipeipmain…p2(x,y)…p1p2…p1(c)…mainp2p1程序的代碼段堆棧eipespmain堆棧espeipeipx，yeipp2堆棧eipeipeipeipceipp1堆棧esp23觀察堆棧在內(nèi)核中的使用在內(nèi)核代碼中經(jīng)常有這樣的函數(shù)，它的參數(shù)是structpt_regs*regs 可以往回一層層的尋找這個(gè)參數(shù)是怎么傳遞過來的，最后我們可以發(fā)現(xiàn)最源頭的函數(shù)使用了這樣的參數(shù)structpt_regsregs 比如voiddo_IRQ(structpt_regsregs) 如果再進(jìn)一步尋找是誰調(diào)用了這個(gè)do_IRQ，我們會發(fā)現(xiàn)只是一條簡單的匯編語句

calldo_IRQ

24為什么要有pt_regs結(jié)構(gòu)用戶態(tài)vs內(nèi)核態(tài)寄存器上下文從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)時(shí)必須保存用戶態(tài)的寄存器上下文要保存哪些？保存在哪里？中斷/int指令會在堆棧上保存一些寄存器的值如：用戶態(tài)棧頂?shù)刂贰?dāng)時(shí)的狀態(tài)字、當(dāng)時(shí)的cs:eip的值25pt_regs結(jié)構(gòu)26SAVE_ALL和RESTORE_ALL27do_IRQ的調(diào)用方式仔細(xì)閱讀一下與之相連的匯編碼pushl$n-256SAVE_ALLcalldo_IRQjmpret_from_intr28do_IRQ的函數(shù)定義方式

regparm(x)x!=0：告訴gcc不通過堆棧而通過寄存器傳。

x是參數(shù)個(gè)數(shù)，寄存器依此使用EAX,EDX,ECX…而asmlinkage則使得編譯器不通過寄存器(x=0)而使用堆棧傳遞參數(shù)因此，do_IRQ將棧頂?shù)膬?nèi)容看成pt_regs結(jié)構(gòu)的參數(shù)，在必要時(shí)可以通過訪問這里的內(nèi)容獲得信息29用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的概念Why？假定不區(qū)分用戶直接修改操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用戶直接調(diào)用操作系統(tǒng)的內(nèi)部函數(shù)用戶直接操作外設(shè)用戶任意讀/寫物理內(nèi)存30因此，要區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)：禁止用戶程序和底層硬件直接打交道 (最簡單的例子，如果用戶程序往硬件控制寄存器寫入不恰當(dāng)?shù)闹?，可能?dǎo)致硬件無法正常工作)禁止用戶程序訪問任意的物理內(nèi)存 (否則可能會破壞其他程序的正常執(zhí)行，如果對核心內(nèi)核所在的地址空間寫入數(shù)據(jù)的話，會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰)31什么是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)？一般現(xiàn)代CPU都有幾種不同的指令執(zhí)行級別在高執(zhí)行級別下，代碼可以執(zhí)行特權(quán)指令，訪問任意的物理地址，這種CPU執(zhí)行級別就對應(yīng)著內(nèi)核態(tài)而在相應(yīng)的低級別執(zhí)行狀態(tài)下，代碼的掌控范圍會受到限制。只能在對應(yīng)級別允許的范圍內(nèi)活動舉例：

intelx86CPU有四種不同的執(zhí)行級別0-3，Linux只使用了其中的0級和3級分別來表示內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)32如何區(qū)分一段代碼是核心態(tài)還是用戶態(tài)cs寄存器的最低兩位表明了當(dāng)前代碼的特權(quán)級CPU每條指令的讀取都是通過cs:eip這兩個(gè)寄存器：

其中cs是代碼段選擇寄存器，eip是偏移量寄存器。上述判斷由硬件完成一般來說在Linux中，地址空間是一個(gè)顯著的標(biāo)志：0xc0000000以上的地址空間只能在內(nèi)核態(tài)下訪問，0x00000000－0xbfffffff的地址空間在兩種狀態(tài)下都可以訪問注意:這里所說的地址空間是邏輯地址而不是物理地址33虛擬內(nèi)存物理內(nèi)存有限，是一種稀缺資源局部性原理空間局部性時(shí)間局部性按需調(diào)頁頁框利用磁盤上的交換空間34進(jìn)程的虛擬地址空間獨(dú)立的地址空間（32位，4GB），每個(gè)進(jìn)程一個(gè)在Linux中，3G以上是內(nèi)核空間，3G以下是用戶空間4G的進(jìn)程地址空間使用進(jìn)程私有的二級頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換（虛擬地址物理地址）頁面大?。?KB頁目錄、頁表若對應(yīng)的內(nèi)容在內(nèi)存中，則對應(yīng)的二級頁表項(xiàng)記錄相應(yīng)的物理頁框信息否則根據(jù)需要進(jìn)行裝載或者出錯(cuò)處理35進(jìn)程調(diào)度后，執(zhí)行一個(gè)新的被調(diào)度的進(jìn)程之前，要先進(jìn)行頁表切換Linux中的內(nèi)核空間每個(gè)進(jìn)程3G以上的空間用作內(nèi)核空間從用戶地址空間進(jìn)入內(nèi)核地址空間不經(jīng)過頁表切換而是通過中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用入口（也只能如此）36站在CPU執(zhí)行指令的角度CPUeipesp0xc0000000c=gets()main…someaction進(jìn)程管理waitkeyboradqueue進(jìn)程x進(jìn)程xidleintr8259keyboard中斷處理Wakeupprogr