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奄解
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1 程序 linux/include/linux/sched.h 1 #ifndef _SCHED_H 2 #define _SCHED_H 3 4 #define HZ 100 // 定义系统时钟滴答频率 (1 百赫兹, 每个滴答 10ms) 5 6 #define NR_TASKS 64 // 系统中同时最多任务 ( 进程 ) 数 7 #define TASK_SIZE 0x // 每个任务的长度 (64MB) 8 #define LIBRARY_SIZE 0x // 动态加载库长度 (4MB) 9 10 #if (TASK_SIZE & 0x3fffff) 11 #error "TASK_SIZE must be multiple of 4M" // 任务长度必须是 4MB 的倍数 12 #endif #if (LIBRARY_SIZE & 0x3fffff) 15 #error "LIBRARY_SIZE must be a multiple of 4M" // 库长度也必须是 4MB 的倍数 16 #endif #if (LIBRARY_SIZE >= (TASK_SIZE/2)) 19 #error "LIBRARY_SIZE too damn big!" // 加载库的长度不得大于任务长度的一半 20 #endif #if (((TASK_SIZE>>16)*NR_TASKS)!= 0x10000) 23 #error "TASK_SIZE*NR_TASKS must be 4GB" // 任务长度 * 任务总个数必须为 4GB 24 #endif 25 // 在进程逻辑地址空间中动态库被加载的位置 (60MB 处 ) 26 #define LIBRARY_OFFSET (TASK_SIZE - LIBRARY_SIZE) 27 // 下面宏 CT_TO_SECS 和 CT_TO_USECS 用于把系统当前嘀嗒数转换成用秒值加微秒值表示 28 #define CT_TO_SECS(x) ((x) / HZ) 29 #define CT_TO_USECS(x) (((x) % HZ) * /HZ) #define FIRST_TASK task[0] // 任务 0 比较特殊, 所以特意给它单独定义一个符号 32 #define LAST_TASK task[nr_tasks-1] // 任务数组中的最后一项任务 #include <linux/head.h> 35 #include <linux/fs.h> 36 #include <linux/mm.h> 37 #include <sys/param.h> 38 #include <sys/time.h> 39 #include <sys/resource.h> 40 #include <signal.h> #if (NR_OPEN > 32) 43 #error "Currently the close-on-exec-flags and select masks are in one long, max 32 files/proc" 44 #endif 45 // 这里定义了进程运行时可能处的状态 46 #define TASK_RUNNING 0 // 进程正在运行或已准备就绪 47 #define TASK_INTERRUPTIBLE 1 // 进程处于可中断等待状态 48 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 // 进程处于不可中断等待状态, 主要用于 I/O 操作等待 49 #define TASK_ZOMBIE 3 // 进程处于僵死状态, 已经停止运行, 但父进程还没发信号

2 50 #define TASK_STOPPED 4 // 进程已停止 #ifndef NULL 53 #define NULL ((void *) 0) // 定义 NULL 为空指针 54 #endif 55 // 复制进程的页目录页表 Linus 认为这是内核中最复杂的函数之一 ( mm/memory.c, 105 ) 56 extern int copy_page_tables(unsigned long from, unsigned long to, long size); // 释放页表所指定的内存块及页表本身 ( mm/memory.c, 150 ) 57 extern int free_page_tables(unsigned long from, unsigned long size); 58 // 调度程序的初始化函数 ( kernel/sched.c, 385 ) 59 extern void sched_init(void); // 进程调度函数 ( kernel/sched.c, 104 ) 60 extern void schedule(void); // 异常 ( 陷阱 ) 中断处理初始化函数, 设置中断调用门并允许中断请求信号 ( kernel/traps.c, 181 ) 61 extern void trap_init(void); // 显示内核出错信息, 然后进入死循环 ( kernel/panic.c, 16 ) 62 extern void panic(const char * str); // 往 tty 上写指定长度的字符串 ( kernel/chr_drv/tty_io.c, 290 ) 63 extern int tty_write(unsigned minor,char * buf,int count); typedef int (*fn_ptr)(); // 定义函数指针类型 66 // 下面是数学协处理器使用的结构, 主要用于保存进程切换时 i387 的执行状态信息 67 struct i387_struct { 68 long cwd; // 控制字 (Control word) 69 long swd; // 状态字 (Status word) 70 long twd; // 标记字 (Tag word) 71 long fip; // 协处理器代码指针 72 long fcs; // 协处理器代码段寄存器 73 long foo; // 内存操作数的偏移位置 74 long fos; // 内存操作数的段值 75 long st_space[20]; /* 8*10 bytes for each FP-reg = 80 bytes */ 76 }; /* 8 个 10 字节的协处理器累加器 */ 77 // 任务状态段数据结构 78 struct tss_struct { 79 long back_link; /* 16 high bits zero */ 80 long esp0; 81 long ss0; /* 16 high bits zero */ 82 long esp1; 83 long ss1; /* 16 high bits zero */ 84 long esp2; 85 long ss2; /* 16 high bits zero */ 86 long cr3; 87 long eip; 88 long eflags; 89 long eax,ecx,edx,ebx; 90 long esp; 91 long ebp; 92 long esi; 93 long edi;

3 94 long es; /* 16 high bits zero */ 95 long cs; /* 16 high bits zero */ 96 long ss; /* 16 high bits zero */ 97 long ds; /* 16 high bits zero */ 98 long fs; /* 16 high bits zero */ 99 long gs; /* 16 high bits zero */ 100 long ldt; /* 16 high bits zero */ 101 long trace_bitmap; /* bits: trace 0, bitmap */ 102 struct i387_struct i387; 103 }; 104 // 下面是任务 ( 进程 ) 数据结构, 或称为进程描述符 // long state 任务的运行状态 (-1 不可运行,0 可运行 ( 就绪 ),>0 已停止 ) // long counter 任务运行时间计数 ( 递减 )( 滴答数 ), 运行时间片 // long priority 优先数任务开始运行时 counter=priority, 越大运行越长 // long signal 信号位图, 每个比特位代表一种信号, 信号值 = 位偏移值 +1 // struct sigaction sigaction[32] 信号执行属性结构, 对应信号将要执行的操作和标志信息 // long blocked 进程信号屏蔽码 ( 对应信号位图 ) // // int exit_code 任务执行停止的退出码, 其父进程会取 // unsigned long start_code 代码段地址 // unsigned long end_code 代码长度 ( 字节数 ) // unsigned long end_data 代码长度 + 数据长度 ( 字节数 ) // unsigned long brk 总长度 ( 字节数 ) // unsigned long start_stack 堆栈段地址 // long pid 进程标识号 ( 进程号 ) // long pgrp 进程组号 // long session 会话号 // long leader 会话首领 // int groups[ngroups] 进程所属组号一个进程可属于多个组 // task_struct *p_pptr 指向父进程的指针 // task_struct *p_cptr 指向最新子进程的指针 // task_struct *p_ysptr 指向比自己后创建的相邻进程的指针 // task_struct *p_osptr 指向比自己早创建的相邻进程的指针 // unsigned short uid 用户标识号 ( 用户 id) // unsigned short euid 有效用户 id // unsigned short suid 保存的用户 id // unsigned short gid 组标识号 ( 组 id) // unsigned short egid 有效组 id // unsigned short sgid 保存的组 id // long timeout 内核定时超时值 // long alarm 报警定时值 ( 滴答数 ) // long utime 用户态运行时间 ( 滴答数 ) // long stime 系统态运行时间 ( 滴答数 ) // long cutime 子进程用户态运行时间 // long cstime 子进程系统态运行时间 // long start_time 进程开始运行时刻 // struct rlimit rlim[rlim_nlimits] 进程资源使用统计数组 // unsigned int flags; 各进程的标志, 在下面第 149 行开始定义 ( 还未使用 ) // unsigned short used_math 标志 : 是否使用了协处理器 // // int tty 进程使用 tty 终端的子设备号 -1 表示没有使用 // unsigned short umask 文件创建属性屏蔽位

4 // struct m_inode * pwd 当前工作目录 i 节点结构指针 // struct m_inode * root 根目录 i 节点结构指针 // struct m_inode * executable 执行文件 i 节点结构指针 // struct m_inode * library 被加载库文件 i 节点结构指针 // unsigned long close_on_exec 执行时关闭文件句柄位图标志 ( 参见 include/fcntl.h) // struct file * filp[nr_open] 文件结构指针表, 最多 32 项表项号即是文件描述符的值 // struct desc_struct ldt[3] 局部描述符表 0- 空,1- 代码段 cs,2- 数据和堆栈段 ds&ss // struct tss_struct tss 进程的任务状态段信息结构 // ====================================== 105 struct task_struct { 106 /* these are hardcoded - don't touch */ 107 long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ 108 long counter; 109 long priority; 110 long signal; 111 struct sigaction sigaction[32]; 112 long blocked; /* bitmap of masked signals */ 113 /* various fields */ 114 int exit_code; 115 unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack; 116 long pid,pgrp,session,leader; 117 int groups[ngroups]; 118 /* 119 * pointers to parent process, youngest child, younger sibling, 120 * older sibling, respectively. (p->father can be replaced with 121 * p->p_pptr->pid) 122 */ 123 struct task_struct *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr; 124 unsigned short uid,euid,suid; 125 unsigned short gid,egid,sgid; 126 unsigned long timeout,alarm; 127 long utime,stime,cutime,cstime,start_time; 128 struct rlimit rlim[rlim_nlimits]; 129 unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ 130 unsigned short used_math; 131 /* file system info */ 132 int tty; /* -1 if no tty, so it must be signed */ 133 unsigned short umask; 134 struct m_inode * pwd; 135 struct m_inode * root; 136 struct m_inode * executable; 137 struct m_inode * library; 138 unsigned long close_on_exec; 139 struct file * filp[nr_open]; 140 /* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */ 141 struct desc_struct ldt[3]; 142 /* tss for this task */ 143 struct tss_struct tss; 144 }; /* 147 * Per process flags 148 */

5 /* 每个进程的标志 */ /* 打印对齐警告信息还未实现, 仅用于 486 */ 149 #define PF_ALIGNWARN 0x /* Print alignment warning msgs */ 150 /* Not implemented yet, only for 486*/ /* 153 * INIT_TASK is used to set up the first task table, touch at 154 * your own risk!. Base=0, limit=0x9ffff (=640kB) 155 */ /* * INIT_TASK 用于设置第 1 个任务表, 若想修改, 责任自负! * 基址 Base = 0, 段长 limit = 0x9ffff(=640kB) */ // 对应上面任务结构的第 1 个任务的信息 156 #define INIT_TASK \ 157 /* state etc */ { 0,15,15, \ // state, counter, priority 158 /* signals */ 0,{{},},0, \ // signal, sigaction[32], blocked 159 /* ec,brk... */ 0,0,0,0,0,0, \ // exit_code,start_code,end_code,end_data,brk,start_stack 160 /* pid etc.. */ 0,0,0,0, \ // pid, pgrp, session, leader 161 /* suppl grps*/ {NOGROUP,}, \ // groups[] 162 /* proc links*/ &init_task.task,0,0,0, \ // p_pptr, p_cptr, p_ysptr, p_osptr 163 /* uid etc */ 0,0,0,0,0,0, \ // uid, euid, suid, gid, egid, sgid 164 /* timeout */ 0,0,0,0,0,0,0, \ // alarm,utime,stime,cutime,cstime,start_time,used_math 165 /* rlimits */ { {0x7fffffff, 0x7fffffff}, {0x7fffffff, 0x7fffffff}, \ 166 {0x7fffffff, 0x7fffffff}, {0x7fffffff, 0x7fffffff}, \ 167 {0x7fffffff, 0x7fffffff}, {0x7fffffff, 0x7fffffff}}, \ 168 /* flags */ 0, \ // flags 169 /* math */ 0, \ // used_math, tty,umask,pwd,root,executable,close_on_exec 170 /* fs info */ -1,0022,NULL,NULL,NULL,NULL,0, \ 171 /* filp */ {NULL,}, \ // filp[20] 172 { \ // ldt[3] 173 {0,0}, \ 174 /* ldt */ {0x9f,0xc0fa00}, \ // 代码长 640K, 基址 0x0,G=1,D=1,DPL=3,P=1 TYPE=0xa 175 {0x9f,0xc0f200}, \ // 数据长 640K, 基址 0x0,G=1,D=1,DPL=3,P=1 TYPE=0x2 176 }, \ 177 /*tss*/ {0,PAGE_SIZE+(long)&init_task,0x10,0,0,0,0,(long)&pg_dir,\ // tss 178 0,0,0,0,0,0,0,0, \ 179 0,0,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17,0x17, \ 180 _LDT(0),0x , \ 181 {} \ 182 }, \ 183 } extern struct task_struct *task[nr_tasks]; // 任务指针数组 186 extern struct task_struct *last_task_used_math; // 上一个使用过协处理器的进程 187 extern struct task_struct *current; // 当前运行进程结构指针变量 188 extern unsigned long volatile jiffies; // 从开机开始算起的滴答数 (10ms/ 滴答 ) 189 extern unsigned long startup_time; // 开机时间从 1970:0:0:0 开始计时的秒数 190 extern int jiffies_offset; // 用于累计需要调整的时间嘀嗒数 #define CURRENT_TIME (startup_time+(jiffies+jiffies_offset)/hz) // 当前时间 ( 秒数 ) 193 // 添加定时器函数 ( 定时时间 jiffies 滴答数, 定时到时调用函数 *fn()) ( kernel/sched.c ) 194 extern void add_timer(long jiffies, void (*fn)(void));

6 // 不可中断的等待睡眠 ( kernel/sched.c ) 195 extern void sleep_on(struct task_struct ** p); // 可中断的等待睡眠 ( kernel/sched.c ) 196 extern void interruptible_sleep_on(struct task_struct ** p); // 明确唤醒睡眠的进程 ( kernel/sched.c ) 197 extern void wake_up(struct task_struct ** p); // 检查当前进程是否在指定的用户组 grp 中 198 extern int in_group_p(gid_t grp); /* 201 * Entry into gdt where to find first TSS. 0-nul, 1-cs, 2-ds, 3-syscall 202 * 4-TSS0, 5-LDT0, 6-TSS1 etc */ /* * 寻找第 1 个 TSS 在全局表中的入口 0- 没有用 nul,1- 代码段 cs,2- 数据段 ds,3- 系统段 syscall * 4- 任务状态段 TSS0,5- 局部表 LTD0,6- 任务状态段 TSS1, 等 */ // 从该英文注释可以猜想到,Linus 当时曾想把系统调用的代码专门放在 GDT 表中第 4 个独立的段中 // 但后来并没有那样做, 于是就一直把 GDT 表中第 4 个描述符项 ( 上面 syscall 项 ) 闲置在一旁 // 下面定义宏 : 全局表中第 1 个任务状态段 (TSS) 描述符的选择符索引号 204 #define FIRST_TSS_ENTRY 4 // 全局表中第 1 个局部描述符表 (LDT) 描述符的选择符索引号 205 #define FIRST_LDT_ENTRY (FIRST_TSS_ENTRY+1) // 宏定义, 计算在全局表中第 n 个任务的 TSS 段描述符的选择符值 ( 偏移量 ) // 因每个描述符占 8 字节, 因此 FIRST_TSS_ENTRY<<3 表示该描述符在 GDT 表中的起始偏移位置 // 因为每个任务使用 1 个 TSS 和 1 个 LDT 描述符, 共占用 16 字节, 因此需要 n<<4 来表示对应 // TSS 起始位置该宏得到的值正好也是该 TSS 的选择符值 206 #define _TSS(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(first_tss_entry<<3)) // 宏定义, 计算在全局表中第 n 个任务的 LDT 段描述符的选择符值 ( 偏移量 ) 207 #define _LDT(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(first_ldt_entry<<3)) // 宏定义, 把第 n 个任务的 TSS 段选择符加载到任务寄存器 TR 中 208 #define ltr(n) asm ("ltr %%ax"::"a" (_TSS(n))) // 宏定义, 把第 n 个任务的 LDT 段选择符加载到局部描述符表寄存器 LDTR 中 209 #define lldt(n) asm ("lldt %%ax"::"a" (_LDT(n))) // 取当前运行任务的任务号 ( 是任务数组中的索引值, 与进程号 pid 不同 ) // 返回 :n - 当前任务号用于 ( kernel/traps.c ) 210 #define str(n) \ 211 asm ("str %%ax\n\t" \ // 将任务寄存器中 TSS 段的选择符复制到 ax 中 212 "subl %2,%%eax\n\t" \ // (eax - FIRST_TSS_ENTRY*8) eax 213 "shrl $4,%%eax" \ // (eax/16) eax = 当前任务号 214 :"=a" (n) \ 215 :"a" (0),"i" (FIRST_TSS_ENTRY<<3)) 216 /* 217 * switch_to(n) should switch tasks to task nr n, first 218 * checking that n isn't the current task, in which case it does nothing. 219 * This also clears the TS-flag if the task we switched to has used 220 * tha math co-processor latest. 221 */ /* * switch_to(n) 将切换当前任务到任务 nr, 即 n 首先检测任务 n 不是当前任务, * 如果是则什么也不做退出如果我们切换到的任务最近 ( 上次运行 ) 使用过数学 * 协处理器的话, 则还需复位控制寄存器 cr0 中的 TS 标志 */

7 // 跳转到一个任务的 TSS 段选择符组成的地址处会造成 CPU 进行任务切换操作 // 输入 :%0 - 指向 tmp; %1 - 指向 tmp.b 处, 用于存放新 TSS 的选择符 ; // dx - 新任务 n 的 TSS 段选择符 ; ecx - 新任务 n 的任务结构指针 task[n] // 其中临时数据结构 tmp 用于组建 177 行远跳转 (far jump) 指令的操作数该操作数由 4 字节 // 偏移地址和 2 字节的段选择符组成因此 tmp 中 a 的值是 32 位偏移值, 而 b 的低 2 字节是新 // TSS 段的选择符 ( 高 2 字节不用 ) 跳转到 TSS 段选择符会造成任务切换到该 TSS 对应的进程 // 对于造成任务切换的长跳转,a 值无用 177 行上的内存间接跳转指令使用 6 字节操作数作为跳 // 转目的地的长指针, 其格式为 :jmp 16 位段选择符 :32 位偏移值但在内存中操作数的表示顺 // 序与这里正好相反任务切换回来之后, 在判断原任务上次执行是否使用过协处理器时, 是通过 // 将原任务指针与保存在 last_task_used_math 变量中的上次使用过协处理器任务指针进行比较而 // 作出的, 参见文件 kernel/sched.c 中有关 math_state_restore() 函数的说明 222 #define switch_to(n) {\ 223 struct {long a,b;} tmp; \ 224 asm ("cmpl %%ecx,_current\n\t" \ // 任务 n 是当前任务吗?(current ==task[n]?) 225 "je 1f\n\t" \ // 是, 则什么都不做, 退出 226 "movw %%dx,%1\n\t" \ // 将新任务 TSS 的 16 位选择符存入 tmp.b 中 227 "xchgl %%ecx,_current\n\t" \ // current = task[n];ecx = 被切换出的任务 228 "ljmp %0\n\t" \ // 执行长跳转至 *& tmp, 造成任务切换 // 在任务切换回来后才会继续执行下面的语句 229 "cmpl %%ecx,_last_task_used_math\n\t" \ // 原任务上次使用过协处理器吗? 230 "jne 1f\n\t" \ // 没有则跳转, 退出 231 "clts\n" \ // 原任务上次使用过协处理器, 则清 cr0 中的任务 232 "1:" \ // 切换标志 TS 233 ::"m" (*& tmp.a),"m" (*& tmp.b), \ 234 "d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); \ 235 } 236 // 页面地址对准 ( 在内核代码中没有任何地方引用!!) 237 #define PAGE_ALIGN(n) (((n)+0xfff)&0xfffff000) 238 // 设置位于地址 addr 处描述符中的各基地址字段 ( 基地址是 base) // %0 - 地址 addr 偏移 2;%1 - 地址 addr 偏移 4;%2 - 地址 addr 偏移 7;edx - 基地址 base 239 #define _set_base(addr,base) \ 240 asm ("movw %%dx,%0\n\t" \ // 基址 base 低 16 位 ( 位 15-0) [addr+2] 241 "rorl $16,%%edx\n\t" \ // edx 中基址高 16 位 ( 位 31-16) dx 242 "movb %%dl,%1\n\t" \ // 基址高 16 位中的低 8 位 ( 位 23-16) [addr+4] 243 "movb %%dh,%2" \ // 基址高 16 位中的高 8 位 ( 位 31-24) [addr+7] 244 ::"m" (*((addr)+2)), \ 245 "m" (*((addr)+4)), \ 246 "m" (*((addr)+7)), \ 247 "d" (base) \ 248 :"dx") // 告诉 gcc 编译器 edx 寄存器中的值已被嵌入汇编程序改变了 249 // 设置位于地址 addr 处描述符中的段限长字段 ( 段长是 limit) // %0 - 地址 addr;%1 - 地址 addr 偏移 6 处 ;edx - 段长值 limit 250 #define _set_limit(addr,limit) \ 251 asm ("movw %%dx,%0\n\t" \ // 段长 limit 低 16 位 ( 位 15-0) [addr] 252 "rorl $16,%%edx\n\t" \ // edx 中的段长高 4 位 ( 位 19-16) dl 253 "movb %1,%%dh\n\t" \ // 取原 [addr+6] 字节 dh, 其中高 4 位是些标志 254 "andb $0xf0,%%dh\n\t" \ // 清 dh 的低 4 位 ( 将存放段长的位 19-16) 255 "orb %%dh,%%dl\n\t" \ // 将原高 4 位标志和段长的高 4 位 ( 位 19-16) 合成 1 字节, 256 "movb %%dl,%1" \ // 并放会 [addr+6] 处 257 ::"m" (*(addr)), \

8 258 "m" (*((addr)+6)), \ 259 "d" (limit) \ 260 :"dx") 261 // 设置局部描述符表中 ldt 描述符的基地址字段 262 #define set_base(ldt,base) _set_base( ((char *)&(ldt)), base ) // 设置局部描述符表中 ldt 描述符的段长字段 263 #define set_limit(ldt,limit) _set_limit( ((char *)&(ldt)), (limit-1)>>12 ) 264 // 从地址 addr 处描述符中取段基地址功能与 _set_base() 正好相反 // edx - 存放基地址 ( base);%1 - 地址 addr 偏移 2;%2 - 地址 addr 偏移 4;%3 - addr 偏移 #define _get_base(addr) ({\ 266 unsigned long base; \ 267 asm ("movb %3,%%dh\n\t" \ // 取 [addr+7] 处基址高 16 位的高 8 位 ( 位 31-24) dh 268 "movb %2,%%dl\n\t" \ // 取 [addr+4] 处基址高 16 位的低 8 位 ( 位 23-16) dl 269 "shll $16,%%edx\n\t" \ // 基地址高 16 位移到 edx 中高 16 位处 270 "movw %1,%%dx" \ // 取 [addr+2] 处基址低 16 位 ( 位 15-0) dx 271 :"=d" ( base) \ // 从而 edx 中含有 32 位的段基地址 272 :"m" (*((addr)+2)), \ 273 "m" (*((addr)+4)), \ 274 "m" (*((addr)+7))); \ 275 base;}) 276 // 取局部描述符表中 ldt 所指段描述符中的基地址 277 #define get_base(ldt) _get_base( ((char *)&(ldt)) ) 278 // 取段选择符 segment 指定的描述符中的段限长值 // 指令 lsl 是 Load Segment Limit 缩写它从指定段描述符中取出分散的限长比特位拼成完整的 // 段限长值放入指定寄存器中所得的段限长是实际字节数减 1, 因此这里还需要加 1 后才返回 // %0 - 存放段长值 ( 字节数 );%1 - 段选择符 segment 279 #define get_limit(segment) ({ \ 280 unsigned long limit; \ 281 asm ("lsll %1,%0\n\tincl %0":"=r" ( limit):"r" (segment)); \ 282 limit;}) #endif 285

提纲. 1 实验准备. 2 从实模式进入保护模式. 3 小结陈香兰 ( 中国科学技术大学计算机学院 ) 软件综合实验之操作系统 July 1, / 11

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