本总结为王道考研课程OS暑假预习笔记与OS实际课程的综合产物。

OS_theory_1

操作系统的概念、功能和目标

操作系统的特征

操作系统的发展与分类

操作系统的运行机制和体系结构

中断和异常

系统调用

前言

OS的启动需要硬件层面的帮助,它叫BootLoader.它负责运行第一段软件代码.

内存划分

在32位MIPS中,一次性能访问的空间是4GB .从上到下分为:

内存划分

• kseg2 是mapped的内存空间,访问需要通过MMU模块转换.
• kseg1 既没有mapped,也没有cached,所以它能在cache和MMU都没有初始化的时候使用.只需要去掉高三位地址就能实现地址映射使用.
• kseg0 没有mapped,所以在初始化cache之后就能使用.只需要去掉最高位地址就能实现地址映射使用.
• kuseg 是用户能使用的空间.

通过上面的分析我们知道,在刚开电的时候只有kseg1和kseg0能使用,另外两个都需要MMU和cache初始化之后才能用,但是等这俩初始化完,os早就能用了.

启动

硬件检测

这一步是计算机检测自己的硬件是否符合开机的要求,在X86体系使用的是BIOS .这段代码存在ROM(Read Only Memory),它和RAM最大的区别就是断电之后不会消失(不是用的电容存信息),所以存放bios正合适.因为直接使用的ROM,所以更倾向于将其看成硬件结构,而不是软件,也常称作bios芯片.

读取MBR

MBR介绍

MBR(Master Boot Record)主引导目录,存放了预启动信息,分区表信息.这里存了操作系统的bootloader.
其446bytes存的是BootLoader,之后64bytes的分区表,之后是2bytes的魔数(bios检查这个来判断是否是一个分区的硬盘).
64bytes中每16bytes是一个分区的入口,所以一共有四个分区.也就是说一个系统最多四个入口.

分区介绍

磁盘有三种分区,主磁盘分区,扩展磁盘分区,逻辑分区.

• 一个系统最多四个主分区,最少一个主分区,主分区用于存储系统.只能有一个主分区处于active状态,其余为inactive,便于boot选择系统.
• 一个系统最多一个扩展磁盘分区,主分区和扩展分区之和最多不超过四个.
• 逻辑分区可以有若干个.逻辑分区可以认为是扩展分区的子集.
  对于磁盘一般分出主分区存系统之后,剩余空间全部都是扩展分区,对于扩展分区一般分成多个逻辑分区.

Run BootLoader

那么读取了MBR之后,找到了BootLoader,接下来就应该run了.该段代码用于初始化硬件设备,建立内存空间的映射,为os做好准备.

运行引导程序

首先读入主引导记录至7C00H处,运行主引导程序.其任务包括

• 检查(WORD)0x7dfe是否等于0xaa55
• 跳转到0x7c00运行MBR中程序
• 将自己复制到0x0600处,继续执行
• 搜索主分区表中标志位active的分区
• 将活动分区的第一个扇区(boot sector)读入0x7c00
• 检查WORD是否等于0xaa55
• 运行该扇区的指令(bootsect.s),该函数的运行在下一个title中详解

加载内核

bootsect.s的工作流程如下:

• 首先将自身从原始启动区0x7c00-0x7dff移动到0x90000-0x901ff
• 读引导扇区的后四个扇区到0x90200,调用引导阶段函数
• 设置一些参数,比如堆栈基址.磁盘参数表
• 加载内核映像.如果是大内核就加载到0x100000,否则加载到0x10000
• 跳转到Setup的入口点

setup.s的工作:

• 初始化硬件设备
• 为内核程序的执行家里环境
• 如果内核镜像在0x10000处,则将其移动到0x1000.
• 跳转到startup_32()汇编程序

Head.s的工作(第一个start_32()函数)

• 初始化段寄存器和临时堆栈.
• 清除efags寄存器的所有位
• 将_edata和_end区间的所有内核未初始化区填充0
• 调用decompress_kernal()函数解压内核映像,并将其移动到0x100000处.
• 跳转到0x100000物理内存处执行.

Head.s的工作(第二个start_32()函数)

• 因为这是在0x100000地址的函数,所以相同的函数名没有什么问题(类似于c语言两个同名函数但是在不同工程里面),该函数用于为第一个Linux进程建立执行环境
• 初始化段寄存器的最终值
• 0填充内核的bss段
• 初始化swapper_pg_dir数组和pg0包含的临时内核页表
• 建立进程0idle进程的内核模式的堆栈.
• ……
• 跳转到start_kernal函数,这个函数是第一个C编制的函数.

Start_kernal()的工作

• 这个函数用于启动初始化函数初始化各种设备,完成Linux核心环境的建立
• sched_init()初始化调度器
• build_all_zonelists函数初始化内存区
• 调用page_alloc_init()和mem_init()初始化伙伴系统分配器
• 调用trap_init()和init_IRQ()对中断控制表IDT进行最后的初始化
• …
  至此Linux内核单减完成,基于Linux的程序可以正常运行了.

用户层init依据inittab文件设定运行等级

Linux的运行等级划分:

• 0:关机
• 1:单用户模式
• 2:无网络支持的多用户模式
• 3:有网络支持的多用户模式
• 4:未使用的等级
• 5:有网络支持有X_Window支持的多用户模式
• 6:重启

执行rc.sysinit

该文件主要用于初始化一些软件层面的事情,比如PATH的配置,网络配置等.

启动内核模块

该步骤用于装载内核模块,Linux全面接手后续工作

执行脚本程序

根据运行级别不同,系统执行从rc0.d到rc6.d中的相应脚本程序,完成初始化和启动服务.

执行rc.local(可选)

此处是用户自定义的模块,类似开机自启动项.

执行login程序,进入登录状态

进入这一步,计算机算完成了的开机工作,硬件层面的通电,到MMU,Cache的建立,时钟频率等的计算,内核装载并开始进行服务,接下来就等着用户输入密码,开始使用这台电脑大干一番了.