基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一、实验准备

　　实验要求：

1. 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；
2. 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核，参照https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码
3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

　　实验环境：

　　Ubuntu版本：ubuntu-18.04.4-desktop-amd64

　　因为原来自带的源太慢了，所以全部换成了阿里云的源。并从台湾大学的镜像下载Linux-5.4.34

　　

 

二、配置及编译内核

在Ubuntu虚拟机中，依次>输入如下命令

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz //这个镜像我无法访问 连接失败，换成了ntu的ftp镜像
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc) 
sudo apt install qemu 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

　　依次是获取内核补丁->安装axel->下载并解压Linux内核->安装补丁->安装相应依赖库->内核编译->使用QEMU启动内核

　　QEMU启动后，窗口中可以看到my_start_kernel在不断的执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。因为是在mymain.c中执行while(1)不断地运行、输出，所以my_start_kernel会不断地输出。

三、编写内核

 　　1、在mykernel目录下增加一个mypcb.h的头文件，用来定义进程控制块，即进程结构体。主要有进程号、进程状态、分配存储区、保存进程的现场、进程入口等变量。

 pid:进程号

state:进程状态 -1就绪 0运行 >0即阻塞

stack:进程堆栈

thread:当前县城信息

task_entry:进程入口函数

next:指向下一个PCB，以链表形式存在

#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);

　　2、修改mymain.c程序，0号进程是手工创建的，所以需要一些汇编代码。

　　在mymain.c中添加my_process函数，作为进程的代码来模拟一个进程，本实验中采用进程用完一个时间片后主动让出CPU的调度方式。

#include 
#include 
#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;ipid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

　　　3、在时钟中断过程中记录时间片，修改myinterrupt.c的my_timer_handler来记录时间片。

　　　　在myinterrupt.c中添加进程切换的代码my_schedule(void)，调度策略就是简单的排队等待调度，next=my_current_task->next就是进程调度，调度下一个进程。进程切换是那段汇编代码。

#include 
#include 
#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(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
    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(    
            "pushq %%rbp\n\t"         /* save rbp of prev */
            "movq %%rsp,%0\n\t"     /* save rsp of prev */
            "movq %2,%%rsp\n\t"     /* restore  rsp of next */
            "movq $1f,%1\n\t"       /* save rip of prev */    
            "pushq %3\n\t" 
            "ret\n\t"                 /* restore  rip of next */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popq %%rbp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
    }  
    return;    
}

　　4、重新编译运行内核，效果如下图

 

 四、分析内核核心功能

　　操作系统的进程在执行过程中，时间片用完后，要先保存当前的进程上下文环境，下次进程被调度执行的时候再恢复。

　　此次实验模拟了一个具有时钟中断和C语言编译环境的硬件平台，mymain.c中的代码不断地模拟进程执行，同时借助中断处理程序的上下文环境，周期性产生时钟中断信号，触发myinterrupt.c中的程序，产生进程切换。

　　进程切换的主要实现方法是下面这段代码

 

asm volatile(
         "pushq %%rbp\n\t"       //将rbp寄存器的值保存在prev进程的堆顶 
         "movq %%rsp,%0\n\t"     //将rsp寄存器的值保存在切换前进程的sp变量中 即将prev进程栈顶位置保存
         "movq %2,%%rsp\n\t"     //将切换后的进程，即next的栈顶指针sp放入rsp寄存器中，此时，堆栈已经发生切换，之后的操作都是在next进程中
         "movq $1f,%1\n\t"       //保存切换前进程的下一条指令到ip变量中，此时的prev进行的下一条指令就在1后面
         "pushq %3\n\t"　　　     //将切换后进程的吓一跳指令地址ip压栈　　
         "ret\n\t"               //将栈顶的ip弹出到rip寄存器中
         "1:\t"                  
         "popq %%rbp\n\t"        //将切换后进程的栈定的堆栈基地址弹出，存入rbp寄存器中
        : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
      );
    }

 

　　在myinterrupt.c中，my_timer_handler函数会被周期性调用，每调用一千次，就将全局变量my_need_sched的值改为1，当my_start_kernel中的while循环发现这个值变成1后，便会进行进程的调度，完成进程切换，如此往复，模拟进程的切换调度。