1 系统调用
宏观上 Linux 操作系统的体系架构分为⽤户态和内核态。计算机的硬件资源是有限 的，为了减少有限资源的访问和使⽤冲突，CPU 和操作系统必须提供⼀些机制对⽤户 程序进⾏权限划分。现代的 CPU ⼀般都有⼏种不同的指令执⾏级别，就是什么样的程 序执⾏什么样的指令是有权限的。在⾼的执⾏级别下，代码可以执⾏特权指令，访问 任意内存，这时 CPU 的执⾏级别对应的就是内核态，所有的指令包括特权指令都可以 执⾏。相应的，在⽤户态（低级别指令），代码能够掌控的范围会受到限制。为什么 会出现这种情况呢？其实很容易理解，如果没有权限级别的划分，系统中程序员编写 的所有代码都可以使⽤特权指令，系统就很容易出现崩溃的情况。因为不是每个程序 员写的代码都那么健壮，或者说会⾮法访问其他进程甚⾄内核的资源，就会产⽣信息 安全问题，这也是操作系统发展的过程中保证系统稳定性和安全性的⼀种机制。让普 通程序员写的⽤户态的代码很难导致整个系统的崩溃，⽽操作系统内核的代码是由更 专业的程序员写的，有规范的测试，相对就会更稳定、健壮。
有了⽤户态、内核态和中断处理过程的概念之后，下⾯以系统调⽤为例来看中断 服务具体是怎么执⾏的。系统调⽤的意义是操作系统为⽤户态进程与硬件设备进 ⾏交互提供了⼀组接⼝。
2 进程和进程状态
进程是进程实体的运行过程， 是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 。进程是由PCB、 程序段和数据段三部分组成的，进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构， 它称为任务结构体 。任务结构体中容纳了一个进程的所有信息， 是系统对进程进行管理和控制的有效手段， 是系统实现进程调度的主要依据。
Linux中每一个进程由一个task_struct数据结构来描述。进程描述符放在动态内存中而且和内核态的进程栈放在一个独立的8KB的内存区中。linux系统为每个用户进程分配了两个栈： 用户栈和内核栈。 当一个进程在用户空间执行时，系统使用用户栈； 当在内核空间执行时， 系统使用内核栈。 由于内核栈地址空间的限制， 内核栈不会分配很大的空间。 此外， 内核进程只有内核栈， 没有用户栈。
进程的状态如下：
- 运行态： 进程正在使用CPU运行的状态。
- 可运行态： 进程已分配到除CPU外所需要的其它资源， 等待系统把CPU分配给它之后即可投入运行。
- 等待态： 又称睡眠态， 它是进程正在等待某个事件或某个资源时所处的状态。
- 暂停态： 进程需要接受某种特殊处理而暂时停止运行所处的状态。
- 僵死态： 进程的运行已经结束， 但它的任务结构体仍在系统中。
3 进程调度
进程调度的功能：
（1）记录系统中所有进程的执行情况。
（2）选择占有处理机的进程。
（3）进行进程上下文切换。—个进程的上下文(context)包括进程的状态、有 关变量和数据结构的值、机器寄存器的值和PCB以及 有关程序、数据等。
进程调度的时机：
（1）进程状态发生变化时。
（2）当前进程时间片用完。
（3）进程从系统调用返回到用户态。
（4）中断处理后，进程返回到用户态。
Linux进程调度采取的是动态优先级法，调度的对象是可运行队列。在调度过程中，调度程序检查可运行队列中所有进程的权值， 选择其中权值最大的进程做为下一个运行进程。
Linux系统的一般执行过程举例：
• 以32位x86系统结构linux-3.18.6为例，以系统调⽤作为特殊的中断简要总结如下。 • （1）正在运⾏的⽤户态进程X。 • （2）发⽣中断（包括异常、系统调⽤等），CPU完成以下动作。 •
• save cs:eip/ss:esp/eflags：当前CPU上下⽂压⼊进程X的内核堆栈。
• load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)：加载当前进程内核堆栈相关信息，跳转到中断处理程序，即中断执⾏路径的起点。 • （3）SAVE_ALL，保存现场，此时完成了中断上下⽂切换，即从进程X的⽤户态到进程X的内核态。
•
• （4）中断处理过程中或中断返回前调⽤了schedule函数，其中的switch_to做了关键的进程上下⽂切换。将当前进程X的内核堆栈切换到进程调度算法选出来的next进程 （本例假定为进程Y）的内核堆栈，并完成了进程上下⽂所需的EIP等寄存器状态切换。详细过程⻅前述内容。
• （5）标号1，即前述3.18.6内核的swtich_to代码第50⾏“”1: “ ”（地址为switch_to中的“$1f”），之后开始运⾏进程Y（这⾥进程Y曾经通过以上步骤被切换出去，因此可以 从标号1继续执⾏）。
• （6）restore_all，恢复现场，与（3）中保存现场相对应。注意这⾥是进程Y的中断处理过程中，⽽（3）中保存现场是在进程X的中断处理过程中，因为内核堆栈从进程X 切换到进程Y了。
• （7）iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（2）中硬件完成的压栈内容。此时完成了中断上下⽂的切换，即从进程Y的内核态返回到进程Y的⽤户 态。
• （8）继续运⾏⽤户态进程Y。
4 关于Linux的启动过程简述
1.启动并加载BIOS，对硬件进行检测，查找并加载MBR。
2.找到MBR后，存储BootLoader信息，加载GRUB。
3.查找并加载kernel。
4.装载驱动，挂载rootfs，执行/sbin/init。
5.OS初始化后，执行runlevel程序。
6.启动指定级别的服务。