一、从开机加电到执行 main 函数之前的过程

Linux 0.11 的代码是用 C 语言编写的，但是在操作系统启动时先执行的是三个由汇编语言写成的程序（bootsect, setup, head）。因为 C 语言编写的用户应用程序必须在操作系统的平台上执行，所以需要先加载操作系统。

加载操作系统的时候，计算机刚刚加电，只有 BIOS 程序在运行，而且此时计算机处在 16 位实模式状态，通过 BIOS 程序自身的代码形成的 16 位的中断向量表及相关的 16 位的中断服务程序，将操作系统在启动盘的第一个扇区（512字节）的代码加载到内存，BIOS 能主动操作的内容也就到此为止了。对于第一扇区代码的加载，不论是什么操作系统都是一样的；从第二扇区开始，就要由第一扇区中的代码来完成后续的代码加载工作。

• 第一扇区：第一部分内核代码，引导程序，bootsect.s
  • 规划内存
  • 载入 setup.s
  • 载入系统模块 system 模块（屏幕显示：Loading System…）
  • 确定根文件系统
• 4 个扇区：第二部分内核代码，setup.s
  • 提取内核运行所需的机器系统数据
  • 破旧立新：废除 BIOS 中断，将 system.s 移动到内存地址起始位置
  • 为保护模式做准备
• 240 个扇区：第三部分内核代码，system 模块
  • 执行 head.s
    • 创建内核分页机制，是内核能够掌控用户进程的基础之一

加载工作完成后，并没有立即执行 main 函数。开机时的 16 位实模式与 main 函数执行需要的 32 位保护模式之间有很大的差距，head.s 来弥补这个差距。此时中断仍处于关闭状态。

二、设备环境初始化及激活进程 0

硬件初始化：

• 与主机有关的硬件初始化：规划内存格局，设置及初始化缓冲区，设置及初始化虚拟盘，初始化 mem_map，初始化缓冲区管理结构。
• 与外设有关的硬件初始化：设置根设备，初始化软盘，初始化硬盘。

为内核及进程的正确运行所做的初始化：中断服务程序的挂接，初始化进程 0。

用模拟中断的方法将进程 0 的特权级由 0 翻转到 3，实现激活进程 0。（除了进程 0 外，所有进程都要由一个已有进程在 3 特权级下创建）

三、进程 1 的创建及执行

操作系统启动以来，内核第一次进行进程调度。

进程 1 第一次执行后，设置硬盘信息，格式化虚拟盘，加载根文件系统。

四、进程 2 的创建及执行

进程 1 创建进程 2，加载 shell 程序，创建 update 进程，重建 shell，实现系统怠速。

进程 0 和进程 1 的代码都是操作系统设计者直接写到内核代码中的，进程 2 则是从硬盘中加载的执行代码，而且 shell 进程是对操作系统非常重要的用户界面进程，所以涉及打开终端设备以及大量的文件操作。

五、文件操作

操作系统对文件的一切操作都可以分为两个方面：

1. 对文件管理信息的操作：新建，打开，关闭，删除文件
2. 对文件数据内容的操作：读文件，写文件，修改文件

操作文件管理信息就是建立或解除进程与文件的关系链条，进程可以沿着关系链条，依托缓冲区与硬盘进行数据交互。当关系链条解除后，进程则不再具备操作指定文件的能力。

如果文件管理信息被更改，则操作系统要将此更改落实在硬盘上，以免失去对文件数据内容的控制。而文件数据内容的更改需要先在缓冲区进行操作，再写入磁盘。

六、用户进程与内存管理

• 线性地址
• 分页机制
• 进程调度

七、缓冲区和多进程操作文件

多进程操作文件的核心是多进程对缓冲区的操作。缓冲区关联着用户进程，文件系统和内存。

八、进程间通信

进程间通信通过管道。

信 机制是一种模仿软件中断机制。

九、操作系统的设计指导思想

Hello World

运行 Hello World 程序，操作系统为程序运行做了哪些工作。

1. 用户输入命令，shell 进程被唤醒，对命令进行解析。
   • 用户敲击键盘后，以文件系统的操作方式将输入的信息记录在终端设备文件上（tty0）。（需要一整套文件系统）
   • 敲击键盘后，产生键盘中断信 ，系统对通过搜索中断描述符表找到键盘中断处理程序，并执行该程序。（需要一整套中断服务体系）
   • 中断服务程序开始执行后，唤醒 shell 进程，通过进程调度机制，由进程 0 切换到 shell 进程去执行。（需要一整套进程管理机制）
   • shell 进程通过执行自己的程序从 tty0 终端设备文件上读取用户键入的指令信息，然后解析该指令，并进行相应的处理。
   • 每个字符的敲击都会重复上述动作。
2. shell 程序解析出用户命令后，调用 fork 函数创建一个用户进程，以便对 Hello World 文件的程序进程控制。
   • 进程结构包括：时间片，优先级，进程状态，进程对应的文件，进程的任务状态描述符（TSS）和进程的局部数据描述符表（LDT）。
   • 进程的任务状态描述符（TSS）：当前进程运行时所有寄存器中的数据。
   • 进程的局部数据描述符表（LDT）：当前进程的代码段描述符和数据段描述符。
3. 新进程创建完毕后，加载 Hello World 文件对应的程序。
   • 文件加载前检测可执行文件是否可用。
   • 若具备载入文件的条件，则将文件载入内存。（页写保护和缺页中断）
4. 程序执行，显示 Hello World。

操作系统的设计指导思想：主奴机制

在特权机制下，操作系统和应用程序为主奴关系。

通过进程的 task_struct 结构来划分程序的边界，创建进程就是创建 task_struct，所以进程 0 只能由操作系统创建，而可以由进程 0 复制创建子进程。

主奴机制的体现

1. 进程调度：操作系统掌握进程调度的权利。
2. 内存管理：用户进程不能越界访问，且使用逻辑地址空间。内核可以访问所有内存地址，并使用实际物理地址。
3. 文件系统：用户进程的文件操作需要向内核提申请。

主奴机制的关键技术

1. 保护和分页：用户进程的逻辑地址要由内核转换为线性地址。物理地址是由内核将线性地址转换而成的。用户进程需要使用内存时，先由内核将逻辑地址转化为一个线性地址，再根据内核提供的专门为进程设计的分页方案，由 MMU 转化为实际物理地址。
2. 特权级：内核特权级可以在任何条件下执行所有的指令，而用户进程则不能。
3. 中断：程序运行中，用户特权级和内核特权级的代码频繁交换，是因为有特权级的转换，其主要的方法就是中断。由于中断的发生不可预见，不可能由程序员处理，所以需要由操作系统来完成。普通的 call 似乎是沿着内存地址平滑移动到调用位置，而中断则似乎是脱离了内存，通过 CPU 硬件翻到内存中另一处中断服务程序的位置。

主奴机制的建立：先机

为什么内核程序能获得高优先级，而用户程序就不能p>

计算机开机启动的时候是实模式，没有特权级的概念。当操作系统的启动程序打开保护模式的时候，特权级状态必须是最高级。

一些恶意程序可以将代码驻留到系统引导区，甚至 BIOS，抢占先机来获取最高特权级。

硬件和软件的关系

软件就是进程，硬件就是文件。

进程

非用户进程：进程 0，进程 1，shell 进程。

• 进程 0 为在主机中有运行能力的进程。
• 进程 1 为有使用外设（文件）能力的进程。
• shell 进程为使用特殊外设的进程。

文件

1. 内存，硬盘，缓冲区。
2. 缓冲区要求多进程读写数据的正确性和尽可能高的效率。（数据的读写有序；数据在缓冲区中停留的时间尽可能长）
3. 进程间通信使用的管道也是一个管理在内存中的虚拟文件。

父子进程共享页面

在子进程加载自身的代码之前，共享父进程的代码，等到加载自己的代码之后，在切断共享父进程代码的关系。否则没有加载自己代码的代码，就无法完成加载代码的工作。

为避免父子进程写数据冲突，有页写保护机制，防止多进程访问共享数据导致的数据混乱。

操作系统的全局中断与进程的局部中断：信

• 中断技术使操作系统由主动轮询变为被动响应，极大地降低了 IO 过程中主机资源的消耗，提高了运行效率。
• 信 技术模仿中断的技术路线，使进程间的沟通由主动轮询变为被动响应，大幅减少了进程间沟通引起的操作系统消耗，提高了整体运行效率。
• 区别：中断是针对操作系统的全局中断；信 是针对进程的局部中断。

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