中断与异常、时钟源、文件系统、设备驱动

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。

中断控制器是对中断和异常进行调度的程序。

中断的产生过程：

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

确定与中断或异常相关联的向量i

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。

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。

确定中断是由授权的发生源发出的。

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。

编程异常：需要比较CPL和IDT中的DPL。

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。

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。

保存ss和esp，并用新的堆栈的值填充。

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。

在堆栈中保存eflags/cs/eip的内容。

如果有硬件出错码，则保存。

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

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。

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。

从栈中弹出ss和esp。返回到旧的堆栈。

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

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

Do_IRQ的功能

得到中断或者异常向量号

找到对应的处理句柄

对相应的IRQ线进行禁止或者其他操作。

执行中断服务函数。

恢复IRQ线的响应。

六、Tasklet的处理机制

通过open_softirq()进行初始化。

分配一个tasklet的数据结构，并初始化。

可以禁用或者允许这个tasklet。

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。

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

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。

接着初始化init_timer()，初始化定时相关的内容。

然后调用hrtimer_init()，高精度定时机制相关的初始化。

通过timekeeping_init()对xtime进行初始化。

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。

通过sched_cloak_init()对时钟调度进行初始化。

二、调用过程

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：

Express：用来与jiffies进行比较。

Data：定时器超时处理函数需要传入的参数。

Function：该指针变量保存着中断处理的程序。

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

创建一个新的time_list对象。

通过init_time()对结构体中的个元素进行赋值。

设置定时的时间。

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

定时时钟源是决定xtime一个增加多少的关键所在。

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。

如果两个时钟源采用统一时钟，那么每次xtime增加1tick。

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。

Xtime的值在定时处理函数中更新。

六、定时处理函数的流程

改变xtime的值。

把当前的xtime的时间写回到cmos中。Cmos是精度最低的时钟源。

对CPU的节拍加1.

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.

给CPU的资源统计计数。

文件系统

一、明确VFS文件系统的作用

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

超级块对象：保存文件系统信息

文件对象：保存已打开的文件和进程的交互信息。

目录项对象：存放目录项和文件链接的信息。

索引结点对象：存放具体文件的一般信息。

在磁盘中的数据结构：

引导控制块：操作系统的初始引导块

盘控制块：磁盘信息等

文件控制块：文件属性。

目录结构：组织管理文件。

在内存中的数据结构：

系统打开文件表

进程打开文件表

三、Ext2的初始化

初始化超级块和组描述符。

检查时候有怀块，如果有，创建坏块列表。

对每个块组，保留保存超级块、位图、列表的块。

初始化位图和列表。

创建/root目录。

创建lost+found目录。

为上面的两个目录更新位图等信息。

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

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。

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.

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

准备一个虚拟的文件系统rootfs，将其初始化为根文件系统

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。

将initrd文件加载到内存。在这里分两种情况。

格式为cpio_initrd。

直接将其解压到根文件下。

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。

格式为image_initrd。

将其释放到/image_initrd文件下。

在内核下将其复制到/dev/ram0文件下。

如果/dev/ram0是根文件系统，那么挂载根文件系统，然后执行3。

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。

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

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。

File：打开的文件， 每open一个文件就建立一个file结构体。

Inode：关于文件的大量内部信息。

设备号：表示设备号和处理程序的对应关系。

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

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。

将inode->i_dev指向查找到的dev。

将inode添加到cdev_list的链表中。

使用cdev的ops来设置文件的f_op。

如果ops中存在open函数，则执行open函数。

返回。

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

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。

字符设备的初始化。

静态的初始化，通过调用已用的函数进行初始化。

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。

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。

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。

参考资料：

深入理解Linux内核

备注：

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作者：WSYW126