linux操作系统分析——基于mykernel完成多进程的简单内核

作者：丁胜061
原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

实验楼mykernel实验

本实验使用实验楼的环境。
第一步：在实验楼的shell里输入


这时会弹出一个QEMU窗口，输出字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here
实验截图如下：

第二步：关闭QEMU窗口，输入cd mykernel 查看mymain.c 和myinterrupt.c
在mymain.c文件中有一个my_start_kernel函数，完成系统的初始化操作。
在myinterrupt.c文件中，有一个时钟中断处理会调用的函数：my_timer_handler。

基于如上这个简单的实验步骤，我们可以对mykernel系统的实验有一个清晰的认知：
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。
我们可以了解到，在本实验中，mykernel系统启动后，会调用my_start_kernel函数，执行my_start_kernel()，之后在时钟中断会周期性的调用my_timer_handler这个函数，然后执行一条打印语句：printk(KERN_NOTICE “\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n”);之后再去调用my_start_kernel函数。

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修改内核代码，使之成为一个简单的时间片轮转多道程序内核

在https://github.com/mengning/mykernel上下载mypcb.h；mymain.c；myinterrupt.c；
然后替换位于home/shiyanlou/LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel/中的mymain.c；myinterrupt.c；
将mypcb.h也放在这里。
可以看出，系统从进程2切换到了进程3.

代码分析

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];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);


void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    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;
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];
    /*fork more process */
    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];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
	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);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
        	    my_schedule();
        	}
        	printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

通过以下步骤完成0号进程启动：

1."movl %1,%%esp\n\t"将0号进程的sp的值赋值给ESP寄存器；
2."pushl %1\n\t"将0号进程的sp的值压栈；
3."pushl %0\n\t"将0号进程ip的值压栈；
4."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

#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];
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;

/*
 * Called by timer interrupt.
 * it runs in the name of current running process,
 * so it use kernel stack of current running process
 */
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    return;  	
}

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;

    if(my_current_task == NULL 
        || my_current_task->next == NULL)
    {
    	return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {        
    	my_current_task = next; 
    	printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
    	/* switch to next process */
    	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;	
}

通过以下步骤完成进程切换

1."pushl %%ebp\n\t"将ebp寄存器的内容压栈；
2."movl %%esp,%0\n\t"将esp寄存器的内容保存到当前进程的sp中；
3."movl %2,%%esp\n\t"将下一个进程的sp的值保存到esp寄存器中；
4."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）
5."pushl %3\n\t"将下一个进程的ip的值压栈；
6."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。
7."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

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 # unsigned long
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);

由上述分析可知：
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

通过本次实验，我对于时间片轮转算法的认识更加深刻。时间片轮转算法就是将系统中所有就绪的进程通过先来后到的顺序，排列成一个队列，每次调度的时候，系统就将处理机分配给队列中最前面的进程，让其执行一个时间片。当时间用完时，让计数器发出时间中断请求，系统就会停止该进程的运行，将它放入队列末尾，并将处理机分配给新的队首进程。