基于mykernel完成多进程的简单内核
原创作品转载请注明出处https://github.com/mengning/linuxkernel/
林弋力
224
实验环境
ubuntu 虚拟机
VMware workstation 15
实验目的
完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
详细分析该精简内核的源代码
理解操作系统是如何工作的
实验步骤
安装编译内核
下载内核源码
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz
下载补丁
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
解压
tar -xvf linux-3.9.4.tar
打补丁
cd linux-3.9.4
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
进行编译
make allnoconfig
make
此时可以看到编译成功,Kernel准备就绪
安装qemu并启动内核
sudo apt-get install qemu # install QEMU
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
可以看到my_start_kernel在执行,同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行
植入Mykernel的时间片轮转程序
时间片轮转程序来源于孟宁老师的Github,在此特别感谢!
植入后重新编译
make allnoconfig
make
在这里可以看到内核已经完成了不同进程间的切换任务
代码分析
mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2
/* 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);
mypcb.h主要定义了以下内容
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
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
线程Thread 包括指令指针ip和栈顶指针sp
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
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
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);
}
}
}
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
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
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
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
并且在这里使用了嵌入式汇编代码,这些代码的使用方法和具体编写过程在孟宁老师的课件中也有详细讲解,在此再次表示感谢!
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;
}
这部分实现比较简单,主要为实现定时器中断,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
重点分析一下嵌入式汇编代码:
在my_schedule函数中,完成进程的切换
进程的切换分两种情况,一种情况是下一个进程没有被调度过,另外一种情况是下一个进程被调度过,可以通过下一个进程的state知道其状态
进程切换依然是通过内联汇编代码实现,无非是保存旧进程的eip和堆栈,将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中
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)
);
上边代码实现了进程的切换:
将当前的ebp保存压栈,然后将当前的esp存入内存中(prev->thread.sp);
将ebp指向要切换进程的esp;
保存当前的eip到pre->thread.ip;
将下一个进程的eip压栈;
ret实现将栈顶,即刚刚压栈的eip弹出,赋给eip,程序开始从此处执行(即要切换的进程),完成了进程切换;
当下一个进程状态不为0时,即表示还未执行,此时esp与ebp相等,其余部分和第一种情况相同
实验总结
通过本次实验,了解了inux操作系统的工作方式和计算机工作的三大法宝,而且明白了堆栈的工作方式和如何在C语言中嵌套汇编语言的方法。意识到操作系统的核心功能就是:进程调度和中断机制。操作系统在初始化时只有一个0号进程,之后的所有进程都由该进程衍生而来,而进程的切换由时钟中断完成。