Linux操作系统分析

陈香兰
Fall 2014

考试时间：2014年12月11日周四下午2:30~4:30,203教室

主讲老师信息

  • 陈香兰(xlanchen@ustc.edu.cn): 科大西区电三421

    • 助教信息

  • 人数（1人）
    1. 权彦清
      2. Email: csqyq@mail.ustc.edu.cn
      主页: http://home.ustc.edu.cn/~csqyq
      办公室: 科大西区电三421

    参考书

  • Understanding the Linux Kernel (O'reilly)
  • 各种网站

    • 课时和上课时间

  • 课时：5课时／周＊10周-十一放假周五2课时+考试＝50课时
  • 9.26日交第一次作业、10.24日交第二次作业、11月14日交第三次作业
  • 注：考试相关参考资料

    • 幻灯片

  • 2014-9-9，课程介绍
  • 2014-9-9，绪论
  • 1_2，GNU Tools
  • 2，基于x86的Linux的启动
  • 2_2，制作简单的Linux系统
  • 3，内存寻址
  • 4.1，进程管理1
  • 4.2，进程管理2
  • 4.3，进程管理3
  • 5，中断和异常
  • 6，系统调用，2014-10-24
  • 7，时钟和定时，2014-10-28
  • 8，内存管理，2014-10-31
  • 9.1，地址空间，2014-11-4
  • 9.2，程序的执行，2014-11-4
  • 10，文件系统
  • 11，信号机制
  • 12，IO管理
  • 13，进程的同步和通信，几个例子

    • 实验课时间安排（参见助教主页）

    实验报告和上机：不分组

  • 1，实验报告：准备源代码分析和实验环境
    • 请根据课堂内容准备源代码分析和实验环境
    • 要求（1）：准备好Linux主机环境，安装好开发工具链（说明低版本gcc的安装过程）
    • 要求（2）：下载并缺省编译Linux-2.6.26，成功
    • 要求（3）：安装源代码阅读工具，推荐SourceInsight，并基于编译过的Linux-2.6.26源代码，建立Linux-2.6.26的源代码工程
      • 若使用SourceInsight，建立利用SourceInsight的文件管理功能，去除arch目录和include目录下非x86的其他体系结构的源代码
      • 使用其他源码阅读工具，可是可以的
      • 要能看到若干Makefile文件
      • 要能看到若干*.lds文件
    • 注：可以直接在Linux中使用Wine来运行SourceInsight，也可以使用Windows系统中安装的SourceInsight
    • 要求（4）：使用主机环境中的工具重新编译test.c并反汇编，观察函数调用框架的形成、参数的传递、返回值的传递和局部变量的定义方法，比较与课堂上讲解的有什么区别
    • 要求（5）：对gcc的优化编译进行尝试，对采用不同优化编译选项得到的可执行文件，使用time命令来获得它们各自的运行时间并进行简单比较
    • 目标（1）：熟悉安装并使用Linux主机环境
    • 目标（2）：熟悉Linux编译步骤
    • 目标（3）：熟悉安装并使用常用GCC相关工具软件
    • 目标（4）：熟悉安装并使用源代码阅读工具
    • 目标（5）：初步掌握Linux-2.6.26的内核源代码框架
    • 检查方法
      • 除实验报告，每个同学还需提交一份自查报告，由助教汇总
      • 助教根据自查报告随机抽查若干进行人工检查（凡人工检查不合格者，须重新准备环境，且得分最高不超过6分）
  • 2，实验报告：基于x86体系结构分析linux-2.6.26的启动过程
    • 仅考虑32位体系结构
    • 不考虑多核多处理器
    • 要求1：分析流程按照开机-->BIOS-->grub-->Linux的顺序进行，到start_kernel结束
    • 要求2：结合几个关键的Makefile文件和缺省编译linux的输出信息，给出Linux映像的make过程分析，说明编译链接的结果有哪些？
    • 要求3：结合GRUB和几个链接描述文件，说明GRUB是如何加载bzImage的，GRUB将跳转到内存的哪个地址上开始运行Linux，该地址的代码对应于哪个Linux源文件中的哪处？
    • 要求4：给出Linux中的启动相关的几个关键源文件的执行顺序，分析setup和内核解压缩前后这三个阶段的主要流程（直到start_kernel)。
  • 3，进程调度和切换分析与实验
    • 对Linux2.6.26的进程调度和切换过程进行分析，提交分析报告
    • 要求（1）：分析从schedule()开始，说明几种不同类型的进程之间的调度选择;在相同类型的进程之间的调度选择算法
    • 要求（2）：在选择好next进程之后，以ppt动画的方式或其他动画方式，画出prev进程切换到next进程时，相关堆栈内容、CPU的堆栈指针以及相关数据结构内容变化的情况
    • 要求（3）：从CPU的IP值的变化上，说明在switch_to宏执行后，执行了哪个函数？执行了这个函数之后，又到哪里执行了？
    • 要求（4）：说明哪一行代码切换了堆栈，在切换堆栈前后，求current_thread_info有什么变化
    • 要求（5）：说明哪一行代码切换了地址空间，在切换堆栈前还是后？为什么地址空间的切换不会影响后续切换代码的执行？
    • 要求（6）：说明哪一行代码的执行，使得current宏所代表的进程发生了变化
    • 要求（7）：说明哪一行代码的执行，使得任务状态段中关于内核堆栈的信息发生了变化
    • 编写一个程序调整进程的调度策略和优先级
    • 要求（8）：先作为一个非实时进程调整其优先级，然后作为一个实时进程调整其调度策略和优先级
  • 4，进程的创建，提交实验和分析报告
    1. 从用户态体验进程的创建
      • 使用C语言编写一个程序，调用fork创建一个子进程，然后让子进程和父进程分别输出fork的返回值和各自的pid。
      • 编写另外一个程序，连续3次调用fork， 然后让子进程和父进程分别输出fork的返回值和各自的pid，说明一共创建了几个进程？画出进程之间的创建关系（进程使用pid来标识）
    2. 对Linux中进程的创建进行分析
  • 5，中断/异常/系统调用
    • 分析中断、异常和系统调用的代码(任选其一)，提交分析报告
    • 要求（对于中断）：
      • 说明x86的中断机制,说明它在Linux中是如何实现的
      • 说明Linux体系结构无关层是如何组织中断处理程序的
      • 请结合一个具体的中断进行分析，例如某个设备驱动中的中断处理程序
        1. 分析该中断处理程序是如何注册的？
        2. 当该中断被触发，CPU是如何响应的，从什么代码开始执行，如何执行到这个设备驱动所注册的中断处理程序上的？
      • 说明Linux中的软中断、tasklet和工作队列机制，在Linux中分别找到一个例子来说明设备是如何使用这三种机制的
      • 请采用某种方法截获一个中断，例如键盘中断
    • 要求（对于异常）：
      • 说明x86的异常机制，说明它在Linux内核中是如何实现的
      • 以某个异常为例，从这个异常被触发开始，说明这个异常在Linux中是如何处理的
      • 采用某种方法制造缺页异常
    • 要求（对于系统调用）：
      • Linux的系统调用利用了x86的哪种硬件机制？
      • 说明Linux是如何组织系统调用的？
      • 说明一个用户态的程序是如何进入系统调用中执行的？
      • 以某个系统调用为例，从用户激活系统调用开始，分析系统调用在Linux中是如何一步一步执行的
      • 自己编写一个系统调用，并编写用户态程序，从这个用户态程序中调用这个系统调用
    • 任选其一，其中异常的难度最低，起评分最低
    • 实验与分析报告和源代码
  • 6，定时器
    1. 在用户态编写一个程序，该程序设定一个定时器，在时间到期的时候做出某种可观察的响应（方法不限）
    2. 分析你的程序的实际执行借助了内核的哪些机制
    3. 提交实验与分析报告
  • 7，虚拟字符驱动
    1. 模拟一个字符设备，提供字符设备驱动
    2. 在Linux 2.6环境中，动态加载虚拟字符驱动模块
    3. 编写一个应用程序，对虚拟字符设备驱动进行读写
    4. 课堂举例的参考

    Edited by xlanchen@ustc.edu.cn
    HeFei, Anhui, China.
    Fall, 2014.