帶着問題上路（課前預習寶典）

陳老師寫在前面：

疫情所致，本學期的本科網絡教學，讓我與學生全然地進入一個嶄新的世界，新意味着幾乎徹底拋棄固有的思維模式，開學前一週就與課程組同事全身心投入其中，在每一個模式的迭代中，都有新的發現，一週以來，學生提交的作品讓老師驚喜連連。

雲那端一個個鮮活的生命被激活，他們不再是被動的接受，而是以自己的節奏帶着老師不斷的改進和創新。在下週第三次上課之前，忽然就有了寫一個導讀的願望，結果一下手一發不可收拾，幾乎不用思考，這些文字自然流出，似乎與學生有心的對接。

什麼是環境，想想你的宿舍環境吧，舍友如果是打遊戲的豬友，你要好好學習會被鄙視的。 那OS的環境是什麼？ 簡單的說就是硬件吧，可是硬件的說法太籠統，更具體的說就是CPU，內存，硬盤等，有這些就能運行起來？ 舍友沒有網和電腦能玩起遊戲？ CPU要運行程序是否是要一組寄存器配合它（存儲思想），否則它要每個字節都從內存讀取那還不把它累死，有哪些寄存器呢？去看CPU的運行現場有哪些寄存器吧。

且慢，那要敲鍵盤咋辦？ CPU要傻傻的等嗎？NO，你在敲鍵盤時CPU早都去玩股票去了，爲啥可以這樣，因爲當你把字符敲完後可以向CPU發出一個請求信號，CPU就可以不玩股票來處理你的請求，這就是中斷機制。

如果我想要從磁盤讀取數據，或者想讓一個進程生個兒子等這些髒活累活該怎麼辦，總不能讓我們每個用戶都辛辛苦苦的與硬件打交道吧，且慢，這些活操作系統都扛起來了，你只需要簡單的調用一下函數就可以，比如read()讀數據，fork()生孩子，這就是系統調用。

02

什麼是處理器（CPU）的狀態？

其實，CPU本來是沒有什麼狀態的，就像你不幹事的時候既沒有興奮的狀態，也沒有厭煩的狀態，可是當老師給你佈置了任務，你可能就煩了。CPU也是，當它不執行程序的時候，是沒有什麼狀態的，當它執行的程序是用戶程序的時候就叫用戶態，當執行的程序是操作系統的代碼時就叫系統態或者內核態。

03

什麼是特權指令和非特權指令？

一聽特權我們一般都很反感，其實計算機中也有特權，誰有？那就是操作系統。也就是有一部分指令只有操作系統能使用，用戶不能使用，這就叫特權指令。而有一部分指令用戶態和操作系統都能使用，這就是非特權指令。（參看1.5節）

CPU運行現場到底是什麼？你聯想一下車禍現場。CPU運行現場簡單說就是一組寄存器的集合，因爲CPU在運行過程中無非是一組寄存器與它配合，也即是存放指令和地址的一組寄存器，專業的說就是CPU運行現場指在程序的執行過程中任一時刻狀態信息的集合。那麼CPU的狀態又是什麼呢，存放在哪？就存放在程序狀態寄存器（PSW）中。

05

中斷到底什麼時候發生？

CPU執行指令的過程是取指執行，在每條指令執行前，都要進行檢查（圖中黃色圈），看是否有中斷髮生，怎麼檢查，就是在每條指令的最後時刻都掃描中斷寄存器（圖中紅色圈），很簡單是不是，如果有中斷信號（CPU其實很傻，只認信號），中斷硬件機制就把程序狀態寄存器（PSW）的相應位置1，每個外設的中斷都對應一箇中斷類型碼（或叫中斷號），如圖所示：

如果真有中斷髮生，CPU就轉去執行中斷處理程序，若無，就繼續執行指令，這個過程循環往復。（參看1.5節，並查看相關資料）

問題：中斷處理和子程序調用都需要壓棧以保護現場，中斷處理一定會保存而子程序調用不需要保存其內容的是（    ）

A、程序計數器

B、程序狀態字寄存器

C、通用數據寄存器

D、通用地址寄存器

答：壓棧保護現場這件事就像出了車禍要保存現場一樣，中斷處理程序與一般程序有什麼相同呢，都是CPU本來好好的執行指令，然後有事情來打擾CPU，就需要把CPU的現場保存下來，以便回來的時候知道當時離開的時候做什麼。

程序計數器（PC）存放程序第一條指令的執行地址，不管是中斷還是子程序調用都需要保存，而通用數據寄存器和通用地址寄存器是壓棧時都需要保存的，只有程序狀態字寄存器（PSW）纔是中斷處理需要保存的內容。（參看1.5節）

06

中斷模型是一種C/S結構嗎？

C/S模型的本質就是請求/服務模型，我們看中斷模型，中斷控制器相當於中介，把外設與CPU鏈接在一起，只要外設發出中斷請求，CPU就要去響應，也即是去服務，所謂服務，就是執行中斷處理程序，是不是一種C/S模型？（參看中斷概述）

07

爲什麼要引入中斷？

當你通過鍵盤敲了個字符，儘管你以爲敲的飛速，但在CPU看來，你慢如蝸牛，我CPU總不能死等你鍵盤吧，CPU在你敲鍵盤時，趁機運行微信了，這樣看來，似乎CPU與鍵盤並行操作，而實際上，只是當你把字符敲完後，趕緊向CPU發了箇中斷請求，CPU纔來處理你的請求，看見了吧，中斷的引入使得外設可以與CPU看起來並行工作，效率，又是效率，這不是操作系統始終追求的目標麼！（參看中斷概述）

08

系統調用

系統調用的實現從用戶態切換到內核態，執行完系統調用程序後又從內核態切換回用戶態，對系統調用進行優化是因爲這種來回切換的代價很大嗎？（參看1.5節）

系統調用與中斷在處理機制上非常類似，但有所不同，中斷是程序在執行的過程中，隨時被打斷，正在執行的進程可能在用戶態也可能在內核態，但系統調用不同，只有用戶態程序才能調用系統調用，比如dos中的int 21H（參看Hello world視頻），Unix/Linux中的read（）函數，調用了系統調用後，執行權就從用戶態切換到內核態。

切換到底有什麼代價，想想美國總統換屆就知道了，不管是中斷、異常和系統調用、切換都需要保留現場，返回後要恢復現場，能否對陷入內核，從內核返回的速度稍微提升一點，因爲一個程序執行會調用很多系統調用，這一點可以通過Linux下的trace命令追蹤，比如，trace ls（追蹤ls命令）, 可以看到調用了多少系統調用，因此說， 底層稍微一點的優化，對整個系統性能的影響會非常巨大。  

long sys_getpid(void)
{
  return current->pid;
}

09

CPU在執行過程中出錯了叫什麼？

CPU是老大，它會不會出錯，如果在程序執行的過程中它出錯了怎麼辦？我們必須假定任何事情都會出錯，而且CPU出錯的話事態比較嚴重，因此給起了個名字就叫異常。

cd /proc
cat interrupts

10

爲什麼要學Linux內核？

爲這裏是全世界大牛的作品集合，有多少人蔘與？2萬左右的頂級大神，100多個國家，google，微軟，紅帽子，Intel，華爲等全球大廠都在這裏爭先恐後提交代碼（有排名），以排名先後彰顯自己的技術實力？應用在哪，看這張圖就知道，無處不在，嵌入式，可穿戴計算機，移動計算機，桌面，到計算機集羣和超級計算機。

你問的問題就是Linus早都想到的，玩過積木吧，Linux內核可加載模塊就可以做到這點，通過內核模塊，你就可以進入內核態寫程序了，這可是從來沒有幹過的事，儘管你原來寫了很多程序，也都是在用戶態敲敲代碼。進入內核寫代碼，與大牛思維大碰撞，你不願意？

12

Linux內核模塊編程要注意哪些事項？

首先說權限吧，你有root權限才能把內核模塊插入到內核，其次，你在用戶態用的那些函數庫不能使用了，爲啥？因爲你現在打怪升級了，有特權了，不能再還想着原來那些碎碎念念的事，現在要與大牛爲伍了，先閱讀內核的編碼風格吧，不管能否出高質量的代碼，但代碼長的樣子一定要高大上，與國際接軌，最後，動手實踐吧，參看學堂在線《Linux內核分析與應用》1.5節動手實踐-寫一個Linux內核模塊，順便告訴你，你可以看看內核中的求最大數怎麼寫，就明白了什麼叫高大上了。