操作系统实验：内核栈切换与进程切换实现

"该文档是关于大学操作系统课程的一个实验报告，主要探讨了基于内核栈切换的进程切换。实验目标是深入理解进程和进程切换，应用相关知识解决实际问题，并在Linux0.11内核上实现这一过程。实验内容包括编写汇编程序switch_to，修改fork函数以及PCB（进程控制块），并分析实验结果。实验报告详细描述了实验步骤，包括switch_to的实现，PCB和LDT的切换，以及fork函数的修改。在实验过程中，还遇到了关于代码片段的问题，涉及到内核栈和寄存器的处理。" 实验详细说明: 1. 进程和进程切换: 进程是操作系统中运行的程序实例，每个进程都有自己的独立内存空间和上下文。进程切换是指操作系统在多任务环境中，从一个进程的执行状态转移到另一个进程的执行状态的过程。在这个过程中，需要保存当前进程的状态（包括寄存器、栈信息等），然后恢复下一个要执行的进程的状态。 2. PCB（进程控制块）: PCB是操作系统用来存储进程状态和控制信息的数据结构，包含如进程ID、状态、优先级、内存映射、寄存器值等信息。在本实验中，需要修改task_struct结构以适应内核栈切换的需求，并处理由此带来的影响。 3. 内核栈和内核态: 操作系统有两种状态：用户态和内核态。当程序在用户态运行时，如果需要访问受保护的系统资源，会触发中断或系统调用进入内核态。内核栈是每个进程在内核态执行时使用的栈，用于保存和恢复上下文。在进程切换时，内核栈的切换至关重要，以确保正确恢复新的进程上下文。 4. LDT（局部描述符表）切换: LDT是x86架构中用于存储段选择子的表，每个进程可能有自己的LDT来定义私有的内存段。在进程切换时，必须更新LDT以指向新进程的段描述符，确保新进程的内存访问正确。 5.switch_to函数: 这个函数是实现进程切换的关键，它负责在进程间切换PCB、内核栈和LDT。在实验中，需要在汇编语言中实现这个功能，包括修改栈顶指针、切换LDT等操作。 6.fork函数的修改: 由于基于内核栈的切换，当一个新进程被fork出来时，它需要拥有一个独立的内核栈，以便在切换时能够正确恢复上下文。因此，fork函数需要被修改以创建这样的栈。 7. 问题解答: （1）在代码片段中，加4096是为了将栈指针移到新的栈顶位置，因为栈是向下增长的，所以需要从tss中的当前栈顶地址减去4096字节来为新的进程分配内核栈空间。 （2）不设置tss中的ss0是因为在内核栈切换时，ss0已经在switch_to中被处理，不需要在代码片段中再次设置。 （3）在代码片段中，eax的值是0，这是因为子进程在执行时，其返回值通常是0，表示成功。这个值是由fork函数设定的。 （4）ebx和ecx是保存在内核栈中的寄存器值，它们代表了当前进程的上下文，需要在进程切换前保存，以便之后恢复。 8. krnstack初始化: krnstack是内核栈的起始地址，需要进行初始化以确保进程切换时有正确的栈指针。这涉及到压入iret指令所需的参数，使得first_return_from_kernel可以正确返回到用户态。 实验报告中提到的分析和实现过程是操作系统学习的重要实践，通过这种方式，学生可以更深入地理解操作系统内部的工作机制，特别是进程管理和上下文切换。