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

　　VMware版本：Vmware Workstation Pro 15.5

二、配置及编译内核

在ubuntu虚拟机中，打开终端，依次输入如下指令：

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch（connection falied，我是直接下载再复制到虚拟机）
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
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

  

　获取内核补丁-->安装axel-->下载解压linux内核-->打补丁-->安装相关依赖库-->内核编译-->使用QEMU启动内核

　　从qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行，my_start_kernel是在mymain.c中循环运行的输出，因为是while(1)，它将不断运行输出。

三、编写内核

　1.  首先在mykernel目录下增加一个mypcb.h头文件，用来定义进程控制块，也就是进程结构体的定义。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。

#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.  对mymain,c进行修改，创建进程，0号进程是手工创建的，启动0号进程需要一些汇编代码。

　　再在mymain.c中添加my_process函数，用来作为进程的代码模拟一个进程，这里采用进程运行完一个时间片主动让出CPU的方式。

#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].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(
        "movq %1,%%rsp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to rsp */
        "pushq %1\n\t"             /* push rbp */
        "pushq %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to rip */
        : 
        : "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);
        }     
    }
}

3.  在时钟中断处理过程中记录时间片，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。进程切换是那一段汇编代码。

#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(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. 重新编译运行内核后，效果如下图所示

 

 四、分析内核核心功能

运行工作机制：操作系统的进程在执⾏过程中，当时间⽚⽤完需要进⾏进程切换时，需要先保存当前的进程上下⽂环境，下次进程被调度执⾏时，需要恢复进程上下⽂环境。我们通过Linux内核代码模拟 了⼀个具有时钟中断和C代码执⾏环境的硬件平台，mymain.c中的代码在不停地执⾏。同时有⼀个中断处理程序的上下⽂环境，周期性地产⽣的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码，产生进程切换。

这段汇编代码就是进程切换的主要实现方法。分析如下：

1）pushq %%rbp：将rbp寄存器值保存在切换前进程（prev）的堆顶。

2）movq %%rsp,%0：将rsp寄存器值保存在切换前进程的sp变量中。（将prev进程栈顶位置保存）

3）movq %2,%%rsp：将切换后进程（next）的栈顶指针sp放入rsp寄存器。（此时已发生堆栈切换，之后的堆栈操作都是在next进程中的）

4）movq $1f,%1：保存切换前进程的下一条指令地址到ip变量中。这里prev进程的下一条指令就在标号1后面。

5）pushq %3：这里将切换后进程的下一条指令地址ip压栈（rip寄存器程序员没有权限进行写入，需要多一个步骤）

6）ret ：将栈顶的ip，pop出来到rip寄存器（此时进程执行指令也被切换成功）

7）popq %%rbp：将切换后进程的栈顶的堆栈基地址pop出来，放入rbp寄存器（注意：如果next进程第一次被调度运行，将不会执行到这，因为rip在上一步被置为my_process的函数入口，紧接着会去运行my_process函数。若不是第一次运行，则发生过切换，next进程的ip变量为$1f，且next进程栈顶为上次切换时压入的rbp寄存器的值，所以这步可以获取到next进程的堆栈基地址）