基本概念

• CPU 控制流：CPU 所执行的地址序列
• 正常控制流：按指令存放顺序或转移类指令指示地址得到的控制流
• ECF: Excptional Control of Flow
• process descriptor: 结构类型 task_structure
• task_list: 双向循环列表，每个元素为进程描述符
• TSS: Task State Segment
• 逻辑控制流：进程确定的指令执行地址序列
• 物理控制流：多个逻辑控制流组成
• concurrency: 并发，不同进程的逻辑控制流在时间上交错
• parallelism: 并行，并发的特例，同时进行的两个进程
• time slice: 连续执行同一个进程的时间段
• 时间片轮转处理器调度

context switching

实现班班通进程中指令交替执行的机制

• 进程的上下文：物理实体和支持进程运行的环境
• 用户堆栈：运行时堆和用户栈
• 用户级上下文：程序块、数据块、用户堆栈等组成的用户空间信息
• 系统级上下文：进程标识信息、进程现场信息、进程控制信息（各种内核数据结构）和系统内核栈组成的内核空间信息
• 硬件/寄存器上下文
• 上下文切换
  • 将寄存器上下文保存到当前进程的系统级上下文中
  • 将新进程系统级上下文中的现场信息恢复到寄存器中
  • 将控制转移到新进程

memory mapping

将进程虚拟地址空间中的一个区域与硬盘上一个对象关联，初始化一个 vm_area_struct 结构
mmap 函数

• void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset
• 返回值 MAP_FAILED(-1), 成功则为指向映射区域的指针
• prot 访问权限 PROT_EXE/READ/WRITE/NONE
• flags 对象类型
  • 普通文件
    • MAP_PRIVATE: 只读代码和已初始化数据，私有对象，写时拷贝
      • 私有的写时拷贝页
    • MAP_SHARED: 共享对象
  • 匿名文件：MAP_ANON 内核创建，全部由 0 组成。对应区域页面称为 demand-zero page

loader

• execve() 启动加载器
• int execve(char *filename, char *argv[], *envp[])
• 失败 -1
• 成功 _start(定义于 crtl.o)->__libc_init_first, _init -> atexit() 登记终止处理函数 -> exit(main()) -> _exit()
• 加载执行 fork() -> execve()

Exception and Interrupt

异常

fault

• page fault
• div by 0
• segmentation fault

trap

• 陷阱指令, programmed exception
• 系统调用
• 断点设置：int 3, CCH
• into(溢出检查), INT n（软中断）, bound(地址越界检查)

abort

中断

• 中断请求信号线
• maskable interrupt & nonmaskable interrupt, NMI

处理过程

保护断点和程序状态 -> 关中断（中断允许位置 0） -> 识别事件(irq_handle) -> 转到相应处理程序执行(操作系统)

• PSWR:程序状态字寄存器，保存 PSW (IA-32 中为 EFLAGS)。 也需保存
• 软件识别（程序）/硬件识别（向量中断方式）
• 中断向量表：保存中断向量，每个中断和异常有一个中断类型号

IA-32+Linux

• 中断向量（256 种），前 32 个保留给处理器
• 向量号（中断类型号）
• INT n： CPU 跳转到中断服务程序
• 实地址模式(Real Mode)，8086 兼容模式，20 位储存器寻址空间(1MB), 中断向量表为 00000 - 003FF, 256*4=1KB
• 19 个确定类型。Linux 128 为系统调用， Windows 46 为系统调用
• 保护模式，使用中断描述附表（IDT, Interrupt Descriptor Table）, 256*8=2KB
• 中断门（中断），陷阱门（异常）
  • 31-16： 偏移地址
  • P(段存在), DPL(最低特权等级), 0, 段选择符（中断门 1110，陷阱门 1111，任务门 0101）,00000000
  • 段选择符：GDT 和 LDT 中的位置
  • 15-0：偏移地址，异常或中断服务程序第一条指令所在偏移量
• 任务门：只包含 TSS 选择段，指向 GDT 中的一个 TSS 段描述符
  • 双重故障#DF 通过任务门实现的唯一异常

IA-32 处理异常和中断

• 确定类型号 i，从 IDTR 指向的 IDT 中取出第 i 个表项 IDTi
• 根据 IDTi 中的段选择符，从 GDTR 指向的 GDT 中取得相应的段描述符，得到服务程序所在段 DPL、基地址（Linux 中为 0）
• 比较 CPL 与 DPL
• 检查特权级变化。从用户栈转换到内核栈：
  • 读 TR 寄存器，访问 TSS 段
  • 将 TSS 段中的内核栈段选择符和栈指针写入 SS 和 ESP，在内核中保存原来的用户栈 SS 和 ESP
• 若发生的是故障，将逻辑地址写入 CS 和 EIP
• 栈中保存 EFLAGS,CS,EIP。若是中断门，IF 清 0
• 若产生硬件出错码，保存在内核栈中
• 将 IDTi 中的段选择符载入 CS，偏移地址装入 EIP
• 处理异常和中断，结束后由 IRET 返回
  • 从内核栈中弹出 EIP,CS,EFLAGS
  • 检测特权级别
  • 从内核栈中弹出 SS,ESP
  • 检查 DS,ES,FS,GS

Linux 处理异常和中断

• IDT 初始化：完成 GDT,GDTR,IDT,IDTR 设置
  • interrupt gate: DPL=0, TYPE=1110
  • system interrupt gate: DPL=3, TYPE=1110, int3
  • system gate: DPL=3, TYPE=1111, into,bound,int $0x80
  • trap gate: DPL=0, TYPE=1111, INT n(n!=3,128)
  • task gate: DPL=0, TYPE=0101
• 异常处理
  • 准备阶段:内核栈中保存现场信息
  • 处理阶段：若发送信号给当前进程，若有对于的信号处理程序，则执行，否则调用 abort 例程终止进程
  • 恢复阶段
• 信号处理
  • 定义信号处理函数替换默认信号处理函数，并通过 signal 函数将自定义信号处理函数注册到系统中
  • typedef void (*sighandler_t)(int);
  • sighandler_t signal (int signum, sighandler_t handler);
  • nonlocal jump：
    • sigsetjmp: 第一次调用返回 0，而后返回非 0
    • siglongjmp: sigsetjmp 一次后，返回到 sigsetjmp 函数
• 中断处理
  • I/O 中断
    • IRQ 线连接到 PIC(programmable interrupt controller)
    • IRQ 引脚：PIC 上，都有编号
  • 时钟中断
  • 处理器中断
  • 中断服务程序
    • 准备阶段
    • 处理阶段：ISR(Interrupt Server Routine)
    • 恢复阶段
• 系统调用
  • 系统级函数：系统调用及其对应的封装函数
  • 系统调用处理程序：system_call