操作系统

2023-03-22 00:45| 来源: 网络整理| 查看: 265

1 前言

本文并非介绍当前使用的linux操作系统的用户态和内核态的切换细节，而是介绍ucore这个教学性质的系统，主要是为了说明用户态和内核态本质上到底是什么。

2 初始状态

操作系统在加电启动、完成各个部分的初始化之后，处于内核态，假设当前的栈顶指针寄存器的值为x，指向内存的某个位置，如图2.1所示。

3 内核态切换到用户态 #define T_SWITCH_TOU 120 // user/kernel switchstatic void lab1_switch_to_user(void) {//LAB1 CHALLENGE 1 : TODOasm volatile ("sub $0x8, %%esp \n""int %0 \n""movl %%ebp, %%esp": : "i"(T_SWITCH_TOU)); }

（1）让esp寄存器的值减8，此时esp = x-8 。

（2）执行软中断指令 int 120，调用120号中断处理程序。

中断处理程序依次会往栈中压入以下寄存器值：eflags（32bit）、cs（16bit）、eip（32bit），压入之后，esp = x-20 ，栈变成如下形态。

（3）120号中断处理程序，往栈中压入0和120（中断号），压入后，esp = x-28 。

.globl vector120 vector120:pushl $0pushl $120jmp __alltraps

（4）跳转到 __alltraps 执行。

.globl __alltraps __alltraps:# push registers to build a trap frame# therefore make the stack look like a struct trapframepushl %dspushl %espushl %fspushl %gspushal# load GD_KDATA into %ds and %es to set up data segments for kernelmovl $GD_KDATA, %eaxmovw %ax, %dsmovw %ax, %es# push %esp to pass a pointer to the trapframe as an argument to trap()pushl %esp# call trap(tf), where tf=%espcall trap# pop the pushed stack pointerpopl %esp# return falls through to trapret... .globl __trapret __trapret:# restore registers from stackpopal# restore %ds, %es, %fs and %gspopl %gspopl %fspopl %espopl %ds# get rid of the trap number and error codeaddl $0x8, %espiret

a）用32位对齐（pushl）的方式将一系列数据段寄存器夺入栈中。

b）pushal指令也会压入一系列寄存器，包括：edi、esi、ebp、oesp、ebx、edx、ecx、eax。由于本文要分析的内容与这些寄存器没有关系，因而这些东西统称为pushregs。

c）设置ds、es寄存器，指向内核数据段描述符。

d）将当前的esp值压栈，到此，栈的形态如图所求。

（5）“call trap”调用C语言的tap函数，而trap函数直接调用了trap_dispatch函数，我们假设直接call dispatch。

static void trap_dispatch(struct trapframe *tf) {case T_SWITCH_TOU:if (tf->tf_cs != USER_CS) {switchk2u = *tf;switchk2u.tf_cs = USER_CS;switchk2u.tf_ds = switchk2u.tf_es = switchk2u.tf_ss = USER_DS;switchk2u.tf_esp = (uint32_t)tf + sizeof(struct trapframe) - 8;// set eflags, make sure ucore can use io under user mode.// if CPL > IOPL, then cpu will generate a general protection.switchk2u.tf_eflags |= FL_IOPL_MASK;// set temporary stack// then iret will jump to the right stack*((uint32_t *)tf - 1) = (uint32_t)&switchk2u;}break; }

a）call指令会把当前指令的下一条指令的地址eip+4压栈，然后跳转到函数trap_dispatch代码执行。

b）函数的第一第二条代码是把当前ebp压栈，然后设置ebp寄存器为当前esp寄存器的值，此时栈形态如图所示

pushl %ebp movl %esp, %ebp

c）可以看到：ebp-8就是函数 trap_dispatch第一个参数的值（x-76），而x-76正好指向pushregs这一段数据，由x-76往上一段长为size_of(struct trapframe)的内存块刚好可以构成一个struct trapframe对象，这个对象刚好处于x-76到x这一段内存中！！

（6）trap_dispatch代码

a）首先找一个全局的变量（struct trapframe switchk2u ），在内存的某个地方，把参数tf指向的内容保存到switchk2u。

b）把switchk2u中保存的cs寄存器的值改为用户态代码段的段选择子。

c）把switchk2u中保存的ds、es、ss等寄存器的值改为用户态数据段的段选择子。

d）把switchk2u中，在一开始预留的两个32位内存块的第二块设置为 x - 8 。

e）设置switchk2u中保存的eflags寄存器的值，设置标志位 FL_IOPL_MASK 。

f）设置x-80位置的值为switchk2u对象的地址。

（7）trap_dispatch函数执行结束

leave ; 恢复栈帧指针ret ; 返回到main

a）恢复栈帧指针：esp = ebp, popl %ebp。

b）返回：popl %eip

（8）返回（4）中的代码执行后续指令

popl %esp# return falls through to trapret... .globl __trapret __trapret:# restore registers from stackpopal# restore %ds, %es, %fs and %gspopl %gspopl %fspopl %espopl %ds# get rid of the trap number and error codeaddl $0x8, %espiret

a）弹出栈顶值作为写入esp寄存器，此时esp=y

b）弹出pushregs这8个寄存器；

c）弹出gs、fs、es和ds数据段寄存器；

d）让esp = esp+8 ，至此，栈形态如图所示。

e）iret指令弹出eip、cs和eflags；

f）由于iret返回变更了eflags的特权级，因此还会弹出ss和sp。此时esp=x-8 。

4 总结

用户态和内核态的切换本质上是eflags和cs、ds、es和ss等段寄存器值的变换。

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