基于mykernel的一个简单的时间片轮转多道程序内核代码分析
学号后三位：482
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/
实验要求
1 完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
2 分析进程的启动和进程的切换机制
3 理解操作系统如何工作
实验环境
本次实验主要使用实验楼linux内核分析课程线上虚拟机的linux环境来完成，具有环境免配置，使用方便，不消耗主机资源等优点。
实验楼链接：https://www.shiyanlou.com/courses/195
实验步骤
一 使用实验楼的虚拟机打开shell，按照如下步骤运行
首先输入下面命令编译mykernel内核
一段时间后编译完成
输入下面命令用qemu启动内核
可以看到一个简单的kernel已经运行起来了，窗口持续打印输出字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here
二 关闭qemu窗口，进入mykernel文件夹，查看mymain.c和myinterrupt.c文件
mymain.c（输入上面的指令后，再输入vim mymain.c）如下
在mymain.c文件中有一个my_start_kernel函数，在其中的while循环中循环打印输出字符串my_start_kernel here。
退出mymain.c时，保存并退出的操作是按ESC，再按shift，输入：wq即可。
myinterrupt.c如下
在myinterrupt.c文件中，有一个时钟中断处理会调用的函数：my_timer_handler，这个函数的功能是打印输出字符串：>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<。
结合以上两段代码可以发现，mykernel系统在启动以后，首先会调用my_start_kernel函数，完成系统进程的初始化操作；并且在时钟中断中会周期性的调用my_timer_handler这个函数，完成进程的切换及调度。因此，可以将进程初始化代码写入mymain.c中，进程切换代码写入myinterrupt.c中。
三 运行一个简单的时间片轮转多道程序
实验源码地址（来自孟宁老师的GitHub）：https://github.com/mengning/mykernel
主要包括如下三个文件：mypcb.h、myinterrupt.c、mymain.c
myinterrupt.c：包含模拟中断的函数。
mymain.c：包含模拟多个运行的进程的函数。
mypcb.h：头文件，定义了一些结构体等内容。
使用以下命令获得源码
将这三个文件拷贝到LinuxKernel/linux-3.9.4下的mykernel中，覆盖掉之前的mymain.c及myinterrupt.c并增加新文件mypcb.h
在LinuxKernel/linux-3.9.4下，执行下面指令：
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch //一定要打补丁
make clean
make allnoconfig //第二次编译之前，一定要make clean，不然会出错
make 输入如下指令后：
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
弹出窗口，显示进程的运行及切换过程：
从上述图片可以看到进程2和进程3进行了切换，实验完成
代码分析
本次实验内容主要涉及到了如下三个文件：mymain.c，myinterrupt.c，mypcb.h。
mymain.c 源代码：https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/mymain.c
/*
* linux/mykernel/mymain.c
*
* Kernel internal my_start_kernel
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include "mypcb.h"
tPCB task[MAX_TASK_NUM]; // 定义PCB类型的数组变量
tPCB * my_current_task = NULL; // 定义PCB类型的指针变量
volatile int my_need_sched = 0; // 用来判断是否需要进行进程调度
void my_process(void); // 函数声明
void __init my_start_kernel(void) // 完成内核初始化的一系列操作
{
int pid = 0; // 定义0号进程
int i;
/* 初始化0号进程*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process; // 将0号进程的入口赋为函数my_process的入口地址
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[pid].next = &task[pid];
/*创建更多的进程 */
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
task[i].pid = i;
//*(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[i].thread.sp = (unsigned long)(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]);
task[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
}
/* 启动0号进程*/
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
// 嵌入式汇编
asm volatile(
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1\n\t" /* push ebp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
}
int i = 0;
void my_process(void)
{
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid); // 打印输出当前进程的标识符
if(my_need_sched == 1) // 需要进行进程调度
{
my_need_sched = 0; // 进程调度标志位置0
my_schedule(); // 进行进程调度
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}在mymain.c中，主要负责进程的初始化并启动进程，做了以下三件事
(1) 初始化一个进程 为其分配进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体等，并将其next指针指向自己。
(2) 初始化更多的进程 根据第一个进程的部分资源，包括内存拷贝函数的运用，将0号进程的信息进行了复制，修改pid等信息。
(3) 设置当前进程 因为是初始化，所以当前进程就决定给0号进程了，通过执行嵌入式汇编代码，开始执行mykernel内核。
其中，完成0号进程启动过程的嵌入式汇编如下所示：
"movl %1,%%esp\n\t"将0号进程的sp的值赋值给ESP寄存器；
"pushl %1\n\t"将0号进程的sp的值压栈；
"pushl %0\n\t"将0号进程ip的值压栈；
"ret\n\t"通过ret指令从栈顶弹出原来保存在这里的eip的值，放入EIP寄存器中。
myinterrupt.c 源代码：https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/myinterrupt.c
/*
* linux/mykernel/myinterrupt.c
*
* Kernel internal my_timer_handler
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include "mypcb.h"
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]; // 外部变量定义的声明
extern tPCB * my_current_task; // 外部变量定义的声明
extern volatile int my_need_sched; // 外部变量定义的声明
volatile int time_count = 0; // 时间计数器
/*
* 时钟中断处理函数
*/
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) // 模拟时间片轮转
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1; // 进程调度标识符置1
}
time_count ++ ; // 时间计数器加1
#endif
return;
}
void my_schedule(void)
{
tPCB * next; // 指向下一个将要运行的PCB
tPCB * prev; // 指向当前正在运行的的PCB
if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
/* 进程调度*/
next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;
if(next->state == 0)/* 判断下一个进程是否可以运行 */
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* 切换下一个进程 */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
"1:\t" /* next process start here */
"popl %%ebp\n\t"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}这部分实现比较简单，主要实现定时器中断，每1000下进行my_need_sched的检查，如果不为1，则置其为1使其进程调度。my_schedule函数具体实现了进程的切换。声明了两个指针，prev和next，分别指向当前进程和下一个进程。进程切换时分两种情况，当next_state ==0 时，即下一个进程正在执行。
其中，用于完成进程切换的嵌入式汇编具体过程如下所示：
"pushl %%ebp\n\t"将ebp寄存器的内容压栈；
"movl %%esp,%0\n\t"将esp寄存器的内容保存到当前进程的sp中；
"movl %2,%%esp\n\t"将下一个进程的sp的值保存到esp寄存器中；
"movl $1f,%1\n\t"将下一条指令的地址保存到当前进程的ip中；（保存现场）
"pushl %3\n\t"将下一个进程的ip的值压栈；
"ret\n\t"通过ret指令从栈顶弹出原来保存在这里的eip的值，放入EIP寄存器中。
"popl %%ebp\n\t"开始执行下一个进程，并且出栈下一个进程ebp寄存器的内容。
mypcb.h 源代码：https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/mypcb.h
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#define MAX_TASK_NUM 4 // 最大的任务数
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 // 内核堆栈大小
/* Thread 结构体 */
struct Thread {
unsigned long ip; // eip寄存器
unsigned long sp; // esp寄存器
};
/*PCB结构体*/
typedef struct PCB{
int pid; // 进程标识符
volatile long state; /* 进程状态, -1 不可运行, 0 可运行, >0 停止*/
unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; // 进程的堆栈空间
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread; // 当前正在执行的线程
unsigned long task_entry; // 进程入口点
struct PCB *next; // 指向下一个进程控制块
}tPCB;
void my_schedule(void); // 进程调度函数的声明，用于实现进程的切换 mypcb.h主要定义了以下内容：
(1) 最大进程数 MAX_TASK_NUM 即有MAX_TASK_NUM个进程参与内核的时间片轮转调度。
(2) 内核进程栈的大小 KERNEL_STACK_SIZE 即每一个进程可以使用的堆栈大小。
(3) 线程Thread 包括指令指针ip和栈顶指针sp。
(4) 进程控制块PCB 包括进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体、下一个进程指针。
(5) 调度函数my_schedule 用于模拟进程执行一段时间后切换到其他进程继续执行的过程。
综上分析，
mymain.c：负责完成各个进程的初始化并且启动0号进程；
myinterrupt.c：负责完成时钟中断的处理及进程的切换；
mypcb.h：负责完成进程控制块PCB结构体的定义。
总结
Linux操作系统的正常工作有三个非常重要的部分，包括存储程序原理、堆栈以及中断的支持。 操作系统对进程的管理主要就是进程的管理和调度，我们为每个进程维护一个进程描述和以及进程间的关系。内核的工作主要有两部分组成，首先运行有一个内核线程，然后就是一些中断处理程序的集合，在中断处理程序中要就行进程的调度。
时间片轮转调度就是系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则，排成一个队列，每次调度时，系统把处理机分配给队列首进程，并让其执行一个时间片。当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序根据这个请求停止该进程的运行，将它送到就绪队列的末尾，再把处理机分配给就绪队列中新的队列首进程，同时让它也执行一个时间片。
参考资料：
https://blog.csdn.net/qq_28428723/article/details/88379434
https://blog.csdn.net/BYF_694042/article/details/88379358