实验：基于mykernel完成多进程的简单内核
学号后三位:403
原创作品转载请注明出处 https://github.com/mengning/linuxkernel/
实验要求
完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码，参考代码见mykernel版本库。
详细分析该精简内核的源代码并给出实验截图，撰写一篇博客;
题目自拟，内容围绕操作系统是如何工作的进行；
博客中需要使用实验截图
博客内容中需要仔细分析进程的启动和进程的切换机制
总结部分需要阐明自己对“操作系统是如何工作的”理解。
实验环境
本次实验的环境是实验楼，mykernel相关环境已经部署完毕
实验过程
打开shell并依次输入下列命令
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
在输入make命令后等待一段时间进行编译;时间较长，编译完结果如下
然后输入qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage进行运行，效果图如下
可以看出，my_start_kernel here与my_time_handler here不断的循环输出出来
源码分析
我们可以阅读mymain.c和myinterrupt.c的源代码，了解一下程序的运行机制
可以看出mymain.c和myinterrupt.c均有一个while循环体结构，不断输出代码中printf的内容。
此为mykernel启动之后，系统周期性的调用myinterrupt.c中的my_timer_handler函数和mymain.c中的my_start_kernel函数。
时间片轮转多道批处理程序内核代码分析
将孟老师提供的三个文件mymain.c myinterrupt.c mypcb.h覆盖到原目录
依次执行下列命令
make clean
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
得到运行结果如下
mypcb.h
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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);
在这个文件里，定义了 Thread 结构体和PCB结构体， Thread 结构体用于存储当前进程中正在执行的线程的EIP和ESP寄存器的信息，PCB结构体中的各个字段含义如下：
pid：进程号
state：进程状态，-1表示不能运行，0表示可以运行，大于0表示暂停
stack：进程使用的堆栈
thread：当前正在执行的线程信息
task_entry：进程入口函数
next：指向下一个PCB，本次实验中中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
my_schedule函数声明，在myinterrupt.c中实现，用于进程切换。
mymain.h
/*
* 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);
}
}
}
my_start_kernel 是系统启动后最先调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。
在汇编语言当中
%1指的是task[pid].thread.sp,%0是task[pid].thread.ip
“movl %1,%%esp\n\t” 将原堆栈的栈顶放到sp寄存器中
“pushl %1\n\t” 将ep寄存器的值存入栈
“pushl %0\n\t” 将当前进程ip值入栈
这样0号进程开始启动,程序去执行my_process()
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];
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;
}
其中，用于完成进程切换的嵌入式汇编具体过程如下所示：
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。
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
操作系统的工作主要依赖三项：
1.存储程序计算机
2.函数嗲用堆栈机制
3.中断支持
堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，堆栈的具体作用有：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供内部局部变量的存储空间等。而中断的支持也不容忽视，有了中断才有了多道处理程序，在没有中断机制之前，计算机智能一个程序一个程序的运行，也就是批处理，而无法实现并发执行。有了中断机制之后，当中断信号发生时，CPU把当前正在执行的程序的EIP、ESP寄存器的内容都压到堆栈当中进行保存。之后转而执行其他的程序，等执行过后还能依靠堆栈来恢复现场，恢复EIP、ESP寄存器的值，进而继续执行中断前的程序。