2019-2020-1 20199320《Linux内核原理与分析》第三周作业

第二章 操作系统是如何工作的

一、虚拟一个x86的CPU硬件平台

1. 在实验楼环境下输入如下命令：

   > cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4
   > qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

   得到如图结果：

   

2. QEMU窗口不显示输出结果，为方便理解内核启动效果，重新输入如下命令：

   > cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4
   > rm -rf mykernel
   > patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
   > make allnoconfig
   > qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

   经过make后，可在QEMU窗口清楚看到内核启动效果：

   

3. 进入mykernel目录，可以看到QEMU输出内容的代码mymain.c和myinterrupt.c，如图：

   

   mymain.c的执行功能是每100000次输出一次“my_start_kernel here i”，同时有一个中断处理程序的上下文环境，周期性地产生时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码（如下图），输出“>>>my_timer_hender here<<<<”。

   

二、在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核

1. 增加一个 mypcb.h 头文件，用来定义进程控制块，即进程结构体的定义，具体代码请点击“mypcb.h”；

2. 对 mymain.c 进行修改，这里是mykernel内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。现对部分关键代码进行分析：

   • 启动第一个进程

    /* start process 0 by task[0] */
       pid = 0;
       my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* 将进程原堆栈栈顶的地址（这里是初始化的值）存入ESP寄存器 */
        "pushl %1\n\t"          /* 将当前EBP寄存器值入栈 */
        "pushl %0\n\t"          /* 将当前进程的EIP（这里是初始化的值）入栈 */
        "ret\n\t"               /* ret命令正好可以让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中 */
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
   } 

   具体分析如下图：

   

   附：这里用到vi编辑器的全删除，可输入可输入：1,$d从第一行删到末尾，其他删除操作点击这里访问。

3. 对 interrupt.c 进行修改，主要是增加了进程切换的代码，现对关键代码进行分析：

   • 进程0启动，开始执行my_process(void)函数的代码。

   if(next->state==0)   /*next->state==0对应进程next对应进程曾经执行过。*/
   {
       //进行进程调度关键代码。
       asm volatile(
           "pushl %%ebp\n\t"   /*保存当前EBP到堆栈中。*/
           "movl %%esp,%0\n\t" /*保存当前ESP到当前PCB中。*/
           "movl %2,%%esp\n\t" /*将next进程的堆栈栈顶的值存到ESP寄存器。*/
           "movl $1f,%1\n\t"   /*保存当前进程的EIP值，下次恢复进程后将在标号1开始执行。*/
           "pushl %3\n\t"      /*将next进程继续执行的代码位置（标号1）压栈。*/
           "ret\n\t"           /*出栈标号1到EIP寄存器。*/
           "1:\t"              /*标号1，即next进程开始执行的位置。*/
           "pop1 %%ebp\n\t"    /*恢复EBP寄存器的值。*/
           : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
           : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
       );
       my_current_task=next;
       printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
   }
   else
   {
       next-state=0;
       my_current_task=next;
       printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
   /*转换到新的进程中*/
       asm volatile(
         "pushl %%ebp\n\t"   /*保存当前EBP到堆栈中。*/
         "movl %%esp,%0\n\t" /*保存当前ESP到当前PCB中。*/
         "movl %2,%%esp\n\t" /*载入next进程的栈顶地址到ESP寄存器。*/
         "movl %2,%%ebp\n\t" /*载入next进程的堆栈基地址到EBP寄存器*/
         "movl $1f,%1\n\t"   /*保存当前EIP寄存器值到PCB，这里$1f是指上面的标号1。*/
         "push %3\n\t"       /*把即将执行的进程的代码入口地址入栈。*/
         "ret\n\t"           /*出栈进程的代码入口地址到EIP寄存器。*/
         : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
         : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
       ）；
   }

   三、总结

   本章主要借助Linux内核部分源代码模拟了计算机3法宝（存储程序计算机、函数调用堆栈、中断），通过认真对源代码中汇编部分的分析，基本了解了进程的切换，进程在执行过程中，如果有需要调度其他进程时，需先保存当前进程的上下文环境，当该进程被调度时需先恢复上下文环境，以此实现了进程的并发执行，大大提高了计算机运行效率。