简单的时间片轮转多道程序内核的分析

 学号后三位：256 原创作品，转载请注明出处。参考资料： https://github.com/mengning/linuxkernel/issues/2

1、mykernel部署

使用实验楼的虚拟机打开shell
依次输入如下指令：

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

如图所示：

 

经过漫长时间的等待。我们得到了如下的界面：

 

 接下来我们输入如下指令：

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

得到如下的界面：

 

 我们发现有两类字符串不断交替输出。

关闭QEMU窗口，并输入cd mykernel，可以看到在QEMU窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c。如图所示：

 

 

 

通过分析发现 my_timer_handler here字符串是由myinterrupt.c中my_timer_handler函数控制输出的，my_start_kernel here字符串是由mymain.c中my_start_kernel函数控制输出的

 

 2、内核代码分析

1.在 https://github.com/mengning/mykernel 提供的代码。下载mymain.c myinterrupt.c mypcb.h三个文件。

2.copy文件，进入mykernel文件夹，覆盖原来的mymain.c myinterrupt.c 新建mypcb.h。

3.重新编译内核，在LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹下，执行下面的命令。

make allnoconfig

make

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

得到如下截图：

 

在图中，我们就可以看到进程执行的过程了。

下面我们来对代码进行分析，首先给出代码：

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);

mymain.c

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#include 
#include string.h>
#include 
#include 
#include 


#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)
    {
        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);
        }     
    }
}

myinterrupt.c

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#include 
#include string.h>
#include 
#include 
#include 

#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：

mypcb.h ： 进程控制块PCB结构体定义。

mymain.c： 初始化各个进程并启动0号进程。

myinterrupt.c：时钟中断处理和进程调度算法。

 pid：进程号

state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0

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，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
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。my_time_handler()函数，是个时间片轮转，周期性地发出中断信号，也就是my_need_sched。

 

三：操作系统是怎么工作的？

计算机的工作离不开

1.存储程序计算机
2.函数嗲用堆栈机制
3.中断支持

对于1来说，这是显而易见的，没有计算机的支持当然就没有操作系统施展拳脚的空间。

对于2来说，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。

对于3来说，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。这样才能区别于批处理系统