中断与异常、时钟源、文件系统、设备驱动

我不是女神ヾ 2022-09-22 15:53 120阅读 0赞

## 中断和异常 ##

##### 一、明确中断异常描述表的作用：它与每一个中断和异常相联系，每一个向量在表中都有相应的处理程序的入口地址。 #####

##### 二、明确中断控制器的作用，表述清楚中断如何产生。 #####

1.  中断控制器是对中断和异常进行调度的程序。
2.  中断的产生过程：  
    
    
    1.  在计算机设备中每一个能产生中断的设备都与一条IRQ输出线相连，相应的通过这条线与中断控制器的IRQ的输入引脚相连。当产生中断的设备将信号发送到中断控制器时，中断控制器通过INTR引脚通知CPU，当CPU接受到信号时，中断正式产生。

##### 三、明确中断发生时，CPU硬件级的中断信号处理过程 #####

1.  确定与中断或异常相关联的向量i
2.  读取idtr寄存器的值，找到IDT的基址，通过查询IDT，找到第i项对应的内容。
3.  从gdtr寄存器获得GDT的基地址，并在GDT中查找，以读取IDT表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的。  
    
    
    1.  中断：需要比较CPL和GDT中的DPL。中断处理程序的特权不能低于引起中断的程序的特权。
    2.  编程异常：需要比较CPL和IDT中的DPL。
5.  检查是否发生了特权级的变化，一般指的是用户态陷入内核态。  
    
    
    1.  如果是用户态陷入内核态，控制单元要使用新的特权级堆栈。
    2.  保存ss和esp，并用新的堆栈的值填充。
6.  如果是故障，用引起故障的指令修改cs和eip，以便异常处理后再次执行。
7.  在堆栈中保存eflags/cs/eip的内容。
8.  如果有硬件出错码，则保存。
9.  使用IDT中第i项中的段描述符和偏移量填充cs和eip。

##### 四、中断的返回过程 #####

1.  用保存在堆栈中的数值填充cs和eip、eflags，如果有硬件出错码则也弹出。
2.  检查处理程序的特权级是否低于cs的低两位的特权级，若是则iret终止执行。
3.  从栈中弹出ss和esp。返回到旧的堆栈。
4.  比较ds、es、fs、gs段寄存器的内容，如果有一个寄存器的段选择符是段描述符且特权级比当前特权级高。那么就清空相应的寄存器。防止用户态访问内核空间信息。

##### 五、中断和异常的初始化 #####

1.  首先在start\_kernel后，调用了trap.c中的trap\_init()函数对中断进行初始化。并且调用同一文件下的set\_trap\_gate()/set\_system\_gate()/set\_intr\_gate()等对中断描述符进行初始化。在进入保护模式之前，IDT再次通过setup\_idt()函数进行初始化，在这里使用了ignore\_int()函数，是为了保护未初始化完成是发生异常不出错。然后调用init\_IRQ()函数使用新的中断函数代替原来的函数，使其指向interrupt数组中。而该数组都指向common\_interrupt()。该函数的功能是：SAVE\_ALL movl %esp %eax call do\_IRQ jump ret\_from\_intr
2.  Do\_IRQ的功能  
    
    
    1.  得到中断或者异常向量号
    2.  找到对应的处理句柄
    3.  对相应的IRQ线进行禁止或者其他操作。
    4.  执行中断服务函数。
    5.  恢复IRQ线的响应。

##### 六、Tasklet的处理机制 #####

1.  通过open\_softirq()进行初始化。
2.  分配一个tasklet的数据结构，并初始化。
3.  可以禁用或者允许这个tasklet。
4.  通过激活tasklet\_schedule和tasklet\_hi\_schedule激活这个tasklet。然后加入task\_vec或者task\_hi\_vec链表中，等待合适的时机执行。
5.  由task\_action或者task\_hi\_action对链表进行遍历执行。

## timer ##

##### 一、时钟初始化过程 #####

1.  系统加载start\_kernel开始，然后调用tick\_init()，初始化tick相关的内容。将tick\_notifier注册到clockevents\_chain中。
2.  接着初始化init\_timer()，初始化定时相关的内容。
3.  然后调用hrtimer\_init()，高精度定时机制相关的初始化。
4.  通过timekeeping\_init()对xtime进行初始化。
5.  Time\_init()在这里调用choose\_time\_init()选择一个时钟源,用hpet\_time\_int()调用set\_pit\_init()将pit\_clockevent注册为global\_clock\_event以及time\_init\_hook()来设置时钟中断处理程序。
6.  通过sched\_cloak\_init()对时钟调度进行初始化。

##### 二、调用过程 #####

1.  我们知道在set\_pit\_init()的时候，将pit\_clockevents注册为了global\_clock\_event。其中event\_handle被初始化为tick\_handle\_periodic()，其中关键的函数时tick\_periodic()，该函数调用了do\_time()完成xtime的更新和update\_process\_time完成raise\_softirq()激活时钟中断队列和scheduler\_tick对当前进程的时间片减1.

##### 三、软定时器的结构： #####

1.  Express：用来与jiffies进行比较。
2.  Data：定时器超时处理函数需要传入的参数。
3.  Function：该指针变量保存着中断处理的程序。
4.  Base:指定该定时器属于哪个处理器。

##### 四、创建并激活一个定时器 #####

1.  创建一个新的time\_list对象。
2.  通过init\_time()对结构体中的个元素进行赋值。
3.  设置定时的时间。
4.  用add\_timer()加入到合适的链表中。

##### 五、明确中断时钟源和定时时钟源的区别 #####

1.  定时时钟源是决定xtime一个增加多少的关键所在。
2.  定时时钟源是决定xtime在何时增加的管家，不决定增加的多少。
3.  如果两个时钟源采用统一时钟，那么每次xtime增加1tick。
4.  否则由精度高的时钟源决定，而一般定时时钟源精度高于中断时钟源。
5.  Xtime的值在定时处理函数中更新。

##### 六、定时处理函数的流程 #####

1.  改变xtime的值。
2.  把当前的xtime的时间写回到cmos中。Cmos是精度最低的时钟源。
3.  对CPU的节拍加1.
4.  对当前的进程的时间片减1.以及挂起的sleep进程的时间也减1.
5.  给CPU的资源统计计数。

## 文件系统 ##

##### 一、明确VFS文件系统的作用 #####

1.  屏蔽底层各个文件系统之间的实现差异，给用户提供统一的接口。

##### 二、主要数据结构 #####

1.  超级块对象：保存文件系统信息
2.  文件对象：保存已打开的文件和进程的交互信息。
3.  目录项对象：存放目录项和文件链接的信息。
4.  索引结点对象：存放具体文件的一般信息。
5.  在磁盘中的数据结构：  
    
    
    1.  引导控制块：操作系统的初始引导块
    2.  盘控制块：磁盘信息等
    3.  文件控制块：文件属性。
    4.  目录结构：组织管理文件。
6.  在内存中的数据结构：  
    
    
    1.  系统打开文件表
    2.  进程打开文件表

##### 三、Ext2的初始化 #####

1.  初始化超级块和组描述符。
2.  检查时候有怀块，如果有，创建坏块列表。
3.  对每个块组，保留保存超级块、位图、列表的块。
4.  初始化位图和列表。
5.  创建/root目录。
6.  创建lost+found目录。
7.  为上面的两个目录更新位图等信息。
8.  如果有坏块，则将其在lost+found目录中组织起来。

##### 四、Open函数的调用 #####

1.  当我们使用open函数的时候，首先通过按名查找，看在高速缓存中有没有查找的inode，如果有那么对其进行引用并加1。如果没有将创建新的vfs的inode对象和目录项对象等。
2.  Open函数调用的系统服务例程是sys\_open函数，其接受的参数为文件目录和访问的模式。如果文件存在则返回一个文件描述符fd，如果不存在则返回-1.
3.  Read和write函数分调用的服务例程是sys\_read和sys\_write，接受三个参数。分别是一个文件描述符fd，一个对数据缓存的地方buf，和需要传输的数据的多少count。Read对将文件读入缓存区。Write则相反。

##### 五、根文件系统的挂载 #####

1.  准备一个虚拟的文件系统rootfs，将其初始化为根文件系统  
    
    
    1.  Start\_kernel后调用vfs\_caches\_init()初始化vfs。调用mnt\_init()创建一个虚拟的rootfs，调用init\_rootfs将其向内核注册。通过init\_mount\_tree挂载根文件系统。./挂载点就形成了。
2.  将initrd文件加载到内存。在这里分两种情况。  
    
    
    1.  格式为cpio\_initrd。  
        
        
        1.  直接将其解压到根文件下。
        2.  执行/init，如果执行成功则加载成功。如果失败则执行3。如果没有/init那么执行用户定义的根文件系统。然后执行3。
    2.  格式为image\_initrd。  
        
        
        1.  将其释放到/image\_initrd文件下。
        2.  在内核下将其复制到/dev/ram0文件下。
        3.  如果/dev/ram0是根文件系统，那么挂载根文件系统，然后执行3。
        4.  否则执行Linuxrc，加载根文件系统的一些驱动等。而后挂载根文件系统，然后执行3。
    3.  执行/sbin/init,/bin/int,/etc/init等，如果成功则挂载根文件系统成功。

## 设备驱动 ##

##### 一、字符设备驱动程序的组成 #####

1.  File\_operation：成员大部分是指针，如果设备不支持则值为null。其中有一下操作：read、write、open、release。
2.  File：打开的文件， 每open一个文件就建立一个file结构体。
3.  Inode：关于文件的大量内部信息。
4.  设备号：表示设备号和处理程序的对应关系。
5.  Chrdev\[\]：存放注册的设备驱动程序。

##### 二、字符设备的访问过程一定要与文件系统结合 #####

1.  根据我们的设备号通过kobj\_lookup函数找到对应的设备驱动程序。
2.  将inode->i\_dev指向查找到的dev。
3.  将inode添加到cdev\_list的链表中。
4.  使用cdev的ops来设置文件的f\_op。
5.  如果ops中存在open函数，则执行open函数。
6.  返回。
7.  返回后对于其他操作read、write等也是通过这个cdev的ops中的函数进行的。

##### 三、注册设备驱动程序 #####

1.  首先申请一个cdev的结构体。其中包含驱动模块、设备号范围、cdev\_list、ops等。自己实现file\_operations函数等。
2.  字符设备的初始化。  
    
    
    1.  静态的初始化，通过调用已用的函数进行初始化。
    2.  动态的初始化，主要用过malloc等方式，创建指针等来进行初始化。
3.  在cdev初始化结束后，我们可以通过register\_chrdev\_region和alloc\_register\_chrdev\_region两种方式进行申请注册设备号。第一种方式是用指定的设备号向系统进行申请。第二种是没有指定设备号由系统进行分配然后返回。把实现的file\_operations和cdev进行绑定。申请得到设备号后，用cdev\_add将设备注册。
4.  在释放设备的时候，首先通过unregister\_chrdev\_region释放原来申请的设备号。然后调用cdev\_del来注销设备。

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参考资料：  
深入理解Linux内核  
备注：  
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作者：WSYW126

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