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Linux内核完全解析

发表于 更新于 分类于
Linux高性能服务器编程

LINUX内核概况

从功能层面上 内核就是软件和硬件之间的一个中间层，可以连接软件和硬件。

内核实现策略

1.微内核。最基本的功能由中央内核（微内核）实现。所有其他的功能都委托给一些独立进程，这些进程通过明确定义的通信接口与中心内核通信。

2.宏内核。内核的所有代码，包括子系统（如内存管理、文件管理、设备驱动程序）都打包到一个文件中。内核中的每一个函数都可以访问到内核中所有其他部分。目前支持模块的动态装卸(裁剪)。Linux内核就是基于这个策略实现的。

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X86寄存器

  1. 通用寄存器：

    • EAX（累加器寄存器）：主要用于算术和逻辑运算，并作为函数返回值的容器。
    • EBX（基址寄存器）：通常被用作内存地址的基址。
    • ECX（计数器寄存器）：通常用于循环计数和字符串操作。
    • EDX（数据寄存器）：用于存放一般性数据。
    • ESI（源变址寄存器）：通常用于字符串操作中的源地址。
    • EDI（目的变址寄存器）：通常用于字符串操作中的目的地址。
    • ESP（堆栈指针寄存器）：指向当前堆栈顶部。
    • EBP（基址指针寄存器）：通常用于指向栈帧的基址。

  2. 段寄存器：

    • CS（代码段寄存器）：存储当前执行指令的代码段。
    • DS（数据段寄存器）：存储数据的段。
    • SS（堆栈段寄存器）：存储堆栈的段。
    • ES（附加段寄存器）：可用于存储其他数据段。

  3. 标志寄存器：

    • EFLAGS（标志寄存器）：用于存储各种程序状态标志，如进位标志、零标志、溢出标志等。

    • (PSW)

      在x86架构中，PSW是一个常见的缩写，它代表程序状态字（Program Status Word），也被称为标志寄存器或标志字。然而，在x86架构中，官方没有直接称之为PSW寄存器，而是使用了一系列标志位来表示程序的状态。

      这些标志位通常存储在EFLAGS寄存器中

  4. 指令指针寄存器：

    • EIP（指令指针寄存器）：存储下一条要执行的指令的内存地址。

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磁盘结构

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ROM 和RAM

ROM是一种只读存储器，其中存储的数据在计算机关闭或重新启动时保持不变。ROM中的数据是由制造商预先编程的，用户无法修改其内容。它通常用于存储固件、引导程序和其他永久性的系统数据。ROM的优点是数据的持久性和稳定性，即使在断电情况下也能保留数据。常见的ROM类型包括ROM、PROM（Programmable ROM）、EPROM（Erasable Programmable ROM）和EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）。

RAM是一种随机访问存储器，用于临时存储计算机正在运行的数据和程序。RAM允许计算机以随机的顺序读取和写入数据，这使得存储器的访问速度非常快。RAM是易失性存储器，意味着当计算机断电时，存储在RAM中的数据将会丢失。RAM可以根据需要读取和写入数据，因此它对于计算机的实时操作非常重要。常见的RAM类型包括SRAM（Static RAM）和DRAM（Dynamic RAM）。

RAM和ROM在功能和特性上有很大的差异。RAM用于临时存储和处理数据，具有快速的读写速度，但数据不持久保存。ROM用于存储永久性数据和程序，不可修改，但数据的持久性较高。在计算机系统中，通常会同时使用RAM和ROM来满足不同的存储需求。

GNU AS和 AS86

GNU As（GNU汇编器）和 as86（GNU汇编器的一个特定版本）是两个不同的汇编器工具，它们具有以下区别：

  1. 功能和用途：
    • GNU As：GNU As是GNU项目中的一部分，是一个通用的汇编器，支持多种处理器架构（如x86、ARM等）和不同的操作系统。
    • as86：as86是GNU As的一个特定版本，专门用于处理x86架构的16位汇编语言。它主要用于早期的8086和80286处理器，并且适用于特定的操作系统，如DOS。
  2. 支持的架构：
    • GNU As：GNU As是一个通用的汇编器，支持多种处理器架构，包括x86、ARM、MIPS、PowerPC等。
    • as86：as86是为x86架构的16位汇编语言而设计的，主要用于早期的8086和80286处理器。
  3. 语法和特性：
    • GNU As：GNU As使用AT&T语法，具有丰富的指令集和功能，支持宏汇编、条件汇编、符号表等高级特性。
    • as86：as86通常使用Intel语法，语法更接近机器语言，功能相对较为简单，不支持高级特性。
  4. 可移植性：
    • GNU As：GNU As具有广泛的可移植性，可在不同的操作系统和处理器架构上使用。
    • as86：as86主要用于早期的x86架构和特定操作系统（如DOS），可移植性相对较低。

总的来说，GNU As是一个通用的汇编器，支持多种处理器架构和操作系统，而as86是GNU As的一个特定版本，专门用于处理早期的x86架构的16位汇编语言。

GNU AS语法

GNU As（GNU汇编器）使用AT&T语法，它与Intel语法在一些语法规则和指令书写上存在一些区别。

  1. 操作数顺序：AT&T语法使用源操作数在目的操作数之前的顺序，与Intel语法相反。 示例：
    • AT&T语法：movl %eax, %ebx（将eax的值移动到ebx）
    • Intel语法：mov ebx, eax（将eax的值移动到ebx）
  2. 寄存器表示：在AT&T语法中，寄存器名以%符号开头。 示例：
    • AT&T语法：movl $42, %eax（将立即数42移动到eax寄存器）
    • Intel语法：mov eax, 42（将立即数42移动到eax寄存器）
  3. 立即数表示：在AT&T语法中，立即数以$符号开头。 示例：
    • AT&T语法：movl $123, %ebx（将立即数123移动到ebx寄存器）
    • Intel语法：mov ebx, 123（将立即数123移动到ebx寄存器）
  4. 内存引用：在AT&T语法中，使用方括号[]表示内存引用，且地址放在括号内。 示例：
    • AT&T语法：movl (%eax), %ebx（将eax寄存器指向的内存位置的值移动到ebx寄存器）
    • Intel语法：mov ebx, [eax]（将eax寄存器指向的内存位置的值移动到ebx寄存器）
  5. 注释：在AT&T语法中，使用分号;来表示注释。 示例：
    • AT&T语法：addl %eax, %ebx ; 这是一个加法指令（将eax的值加到ebx，并带有注释）

这些是AT&T语法在GNU As中的一些基本规则和示例。要编写符合GNU As语法的汇编代码，可以参考GNU As的相关文档或参考资料。

AS86语法

AS86是一个特定版本的GNU As汇编器，用于处理x86架构的16位汇编语言。AS86使用的是Intel语法，与AT&T语法有所不同

直接寄存器寻址

mov bx, ax 将ax的值直接复制到bx寄存器。

间接寄存器寻址

mov [bx], ax 将ax的值存储到bx寄存器内容指定的内存位置上。

把 立即数1234 放入ax中，把 立即数msgl 放入ax中

mov ax, #1234

mov ax, #msgl

绝对寻址：将内存地址1234，内存地址msgl处的内容放入ax中

mov ax, 1234

mov ax, msgl = mov ax, [msgl]

索引寻址

mov ax, msgl[bx] 将内存中以 msgl 加上 bx 寄存器的内容作为地址的位置上的值，读取到 ax 寄存器中。

  1. 计算内存地址：将 msgl 寄存器的内容与 bx 寄存器的内容相加，得到内存地址。
  2. 从内存中读取数据：从上一步计算得到的内存地址处读取数据。
  3. 将读取到的数据存储到 ax 寄存器：将读取到的数据移动到 ax 寄存器中。

mov [msgl+17], ah

将寄存器AH的值写入到内存中msgl的地址加上17的位置上。

C程序编译过程

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汇编程序如何调用执行C语言程序？

在x86汇编语言中，ESP（Extended Stack Pointer）和EBP（Extended Base Pointer）是两个寄存器，用于管理和访问程序运行时的堆栈（stack）。

  1. ESP（堆栈指针）：ESP寄存器指向当前堆栈的栈顶，即最后一个压入堆栈的数据的位置。堆栈的增长方向是从高地址向低地址，所以ESP的值会随着数据的压入而减小，随着数据的弹出而增加。
  2. EBP（基指针）：EBP寄存器用于建立一个指向当前函数堆栈帧（stack frame）的基准点。函数调用时，EBP通常会被设置为当前堆栈的值，然后用于在堆栈中访问函数参数和局部变量。通过使用EBP，可以在函数内部相对于堆栈帧的固定偏移量来访问变量，而不需要关心ESP的变化。
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要在汇编程序中调用执行C语言程序，通常需要以下步骤：

  1. 编写C语言程序：首先，您需要编写一个C语言程序，实现所需的功能。保存该程序并确保已生成可执行文件。

  2. 准备汇编程序：接下来，您需要准备一个汇编程序，该程序将用于调用执行C语言程序。

  3. 设置堆栈：在汇编程序中，您需要设置堆栈指针(SP)和基指针(BP)以及其他必要的寄存器，以便在调用C语言程序时正确处理函数参数和返回值。

  4. 调用C语言程序：使用汇编指令，您可以调用C语言程序。您可以使用CALL指令将程序控制权传递给C语言程序的入口点，并使用RET指令从C语言程序返回到汇编程序。

  5. 处理函数参数和返回值：在调用C语言程序之前，您需要将函数参数加载到正确的寄存器或堆栈位置中。执行CALL指令后，C语言程序将在执行完毕后返回结果。您需要使用适当的方法来访问返回的结果。

    本书规定：

    1. 若返回值是一个整数或一个指针，那么寄存器 eax 将被默认用来传递返回值

    2. A调用B；

      A必须需要保存EAX，EDX，ECX的值

      B必须需要保存EBX， ESI， EDI的值

  6. 恢复堆栈：在从C语言程序返回到汇编程序后，您需要恢复堆栈指针(SP)和基指针(BP)以及其他寄存器的值。

x86汇编语言调用执行C语言程序

以下是一个使用x86汇编语言调用执行C语言程序的简单例子：

#include <stdio.h>
int add(int a, int b) { return a + b; }
int main() {
    int result = add(5, 3);
    printf("Result: %d\n", result);
    return 0;
}

汇编程序（example.asm）：

section .data 	; 这是数据段的开始，用于定义数据段中的变量和常量。在这个例子中，定义了一个格式化字符串format，用于在printf中输出结果。
    format db "Result: %d", 10, 0

section .text	; 这是代码段的开始，用于定义可执行代码。在这个例子中，定义了一系列指令来调用执行C语言程序。
    extern printf	; 这是外部声明，告诉汇编器在链接时要在其他地方找到printf函数的定义。
    extern add	; 同样是外部声明，告诉汇编器在链接时要在其他地方找到add函数的定义。

global _start	; 这是指定程序入口点的全局声明，告诉链接器程序的入口点是_start标签。

_start:	; 程序的入口点，代码从这里开始执行。
    ; 这两条指令将堆栈指针(SP)和基指针(BP)设置为相同的值，以建立堆栈帧。
    mov esp, ebp
    mov ebp, esp

    ; 这两条指令将函数参数依次压入堆栈。
    push dword 3
    push dword 5

    ; 调用add函数，将程序控制权转移到该函数。
    call add

	; 将栈指针（Stack Pointer，SP）寄存器的值增加8个字节。
    ; 清理堆栈上的函数参数
    add esp, 8

    ; 这条指令将add函数的返回值移动到通用寄存器EBX中，以便后续传递给printf函数。
    mov ebx, eax

    ; 这两条指令将printf函数的参数依次压入堆栈。
    push ebx
    push format

    ; 调用printf函数，将结果输出到控制台。
    call printf

    ; 清理堆栈上的printf函数的参数。
    add esp, 8

    ; 这两条指令恢复堆栈指针和基指针的值，以便返回到程序的调用者。
    mov esp, ebp
    mov ebp, 0

    mov eax, 1	; 这条指令将系统调用号1（代表程序退出）移动到通用寄存器EAX中。
    xor ebx, ebx ; 将通用寄存器EBX与自身进行异或操作，将其值设置为0，表示退出状态码为0。
    int 0x80	; 触发一个软中断，将控制权交给操作系统，以执行系统调用，这里是退出程序。

GNU AS语言调用执行C语言程序

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.text
_swap:
    pushl %ebp	; 将 %ebp 寄存器的值压入堆栈。通常在函数开始时执行此操作，以保存调用者的基指针。
    movl %esp, %ebp	; 将 %esp 寄存器（当前堆栈指针）的值复制到 %ebp 寄存器中。这为当前函数设置基指针。
    subl $4, %esp	; 从 %esp 寄存器中减去 4，为局部变量或其他用途在堆栈上分配 4 字节的空间。
    movl 8(%ebp), %eax	; 将位于EBP寄存器指向的内存地址上偏移为8字节的值读取到EAX寄存器中。这可能是从堆栈中检索参数或变量。
    movl (%eax), %ecx	; 将 %eax 寄存器中存储的地址处的值加载到 %ecx 寄存器中。这检索 %eax 寄存器指向的值。
    movl %ecx, -4(%ebp)	; 将 %ecx 寄存器中的值存储在内存位置 -4(%ebp)。这可能是将检索到的值存储在堆栈上。
    movl 8(%ebp), %eax	; 再次将地址 8(%ebp) 处的值加载到 %eax 寄存器中。
    movl 12(%ebp), %edx	; 将地址 12(%ebp) 处的值加载到 %edx 寄存器中。这可能是从堆栈中检索另一个参数或变量。
    movl (%edx), %ecx	; 将 %edx 寄存器中存储的地址处的值加载到 %ecx 寄存器中。这检索 %edx 寄存器指向的值。
    movl %ecx, (%eax)	; 将 %ecx 寄存器中的值存储在内存位置 %eax 处。
    movl 12(%ebp), %eax	; 再次将内存地址 12(%ebp) 处的值加载到 %eax 寄存器中。
    movl -4(%ebp), %ecx	; 将内存位置 -4(%ebp) 处的值加载到 %ecx 寄存器中。
    movl %ecx, (%eax)	; 将 %ecx 寄存器中的值存储在内存位置 %eax 处。
    leave	; 撤销当前函数的堆栈帧。
    ret	; 从当前函数返回。
leave
 = 
movl %ebp, %esp
popl %ebp

LINUX源码分析

LINUX操作系统引导启动程序（boot/bootsect.s & setup.s & head.s）

  1. 电源打开后，80x86结构的CPU会进入实模式。【实模式是一种最初用于早期x86处理器的模式，它提供对低级硬件的基本访问能力】

  2. CPU会从固定地址0xFFFF0开始执行代码。该地址上存储着ROM-BIOS的跳转指令。

  3. BIOS执行系统的初始化和自检过程。它会进行一系列的硬件检测和配置，包括检测内存、处理器、硬盘、显卡等，并建立基本的中断向量表。

  4. BIOS会从可启动设备的第一个扇区（磁盘的引导扇区）读取512字节的代码，将其加载到内存的绝对地址0x7C00处。

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  6. 然后将整个系统从地址 0x10000 移至0x0000 处，进入保护模式并跳转至系统的余下部分（在0x0000处)。此时所有32 位运行方式的设置启动被完成：IDT、GDT 以及LDT 被加载，处理器和协处理器也己确认，分页工作也设置好了；

  7. 最终调用 init/main.c 中的main()程序。上述操作的源代码是在 boot/head.s中的。注意如果在前述任何一步中出了错，计算机就会死锁。

另外，仅在内存中加载了上述内核代码模块并不能让Linux 系统运行起来。完整可运行的 Linux系统还需要有一个基本的根文件系统。Linux 0.11 内核仅支持 MINIX 的 1.0 文件系统。根文件系统通常是在另一个软盘上或者在一个硬盘分区中。为了通知内核所需要的根文件系统在什么地方，bootsect.s 程序的第 43 行上给出了根文件系统所在的默认块设备号。在内核初始化时会使用编译内校时放在引导扇区第 509、510 (0x1fc-0x1fd）字节中的指定设备号。

总结：

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