基于mykernel2.0编写操作系统内核

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

搭建环境

(1)本机环境

VMware® Workstation 12 Pro + Ubuntu 18.04

(2)下载kernel文件

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
注意由于下载速度过慢，可以从群上直接下载然后通过vmware tools移动到虚拟机上。

(3)下载安装axel

sudo apt install axel

(4)通过axel实现多线程下载kernel压缩包

axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz

注意，这里由于我的虚拟机之前调整过浏览器的证书，导致证书一直报ssl错误，可以将地址由HTTPS改成HTTP即可顺利完成下载

(5)解压xz包

xz -d linux-5.4.34.tar.xz

(6)解压tar包

tar -xvf linux-5.4.34.tar

(7)通过下载的kernel文件进行修补

cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
在这一步之前需要提前将patch文件移至linux-5.4.34文件夹中

(8)安装相关库文件

sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

注意，这里我刚开始使用的阿里云的源进行下载，一直下载失败，更改成科大的源即成功。更改源的方法：

(9)生成内核编译

make defconfig

(10)编译kernel

make -j$(nproc)
此处编译时间较长，约为10分钟左右，耐心等待即可。

(11)安装qemu

sudo apt install qemu

开始实验

(1)验证实验环境

为了确保上述实验环境已成功搭建，我们可以通过以下命令查看QEMU是否正常运行。
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

(2)查看内核文件

进入mykernel文件
cd mykernel
查看mymain.c文件

可以看到，mymain执行的是一个永真循环，并且在一定周期内会产生中断信号，调用myinterrupt.c。接下来我们查看myinterrupt.c。

(3)内核代码修改

综上，我们需要增加PCB和进程管理，以使得内核能完成正常的进程切换。以下三个操作均在mykernel文件中完成。

①增加PCB.h文件

PCB是指进程控制块。每个进程均有一个PCB，它是一个既能标识进程的存在、又能刻画执行瞬间特征的数据机构。

//最大的任务数
#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8


/* 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 */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long   task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

//调度函数
void my_schedule(void);

其中：

1. PID为进程标识符，每个进程都有唯一的PID。
2. stack[]为进程所使用的堆栈空间
3. thread为进程当前正在执行的线程
4. task_entry为进程入口函数地址（这里指my_process函数）
5. next 指向下一个PCB地址的指针

②修改mymain.c文件

#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);
        }     
    }
}

首先，我们需要修改初始化函数，完成设置PCB初值、压栈操作。另外需要增加my_process函数，显示打印当前进程编号，以使得可查看进程是否按时间片轮转。

③修改myinterrupt.c文件

#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;    
}

首先，我们需要修改my_timer_handler函数，增加时间计数器，以使得达到时间片后进行进程切换。同时增加my_schedule函数，完成进程切换操作：

1. 保存处理及上下文
2. 更新PCB信息
3. 把进程的PCB移入相应队列，如就绪或阻塞队列
4. 选择下一个进程执行，更新其PCB
5. 更新内存管理的数据结构
6. 恢复处理器上下文

(4)实验结果

在完成上述操作后，我们需要重新编译，使用make指令即可，注意要在linux-5.4.34文件下执行

实验结果如下，可以看到进程成功完成切换操作。

简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

(1)mymain.c核心代码

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*/
    );

1. movq %1,%%rsp: RSP寄存器指向进程0的堆栈栈底
2. pushq %1: 当前RBP寄存器值压栈
3. pushq %0: 当前进程的RIP压栈
4. ret: 压栈的进程RIP保存到RIP寄存器中,用于返回

(2)myinterrupt.c核心代码

        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)
        ); 

1. pushq %%rbp: 保存前一个进程的rbp值到堆栈
2. movq %%rsp,%0: 保存前一个进程rsp值到prev->thread.sp，这时rsp寄存器指向进程的栈顶地址，实际上就是将prev进程的栈顶地址保存
3. movq %2,%%rsp: 为完成进程的切换，将下一个进程栈顶地址next->thread.sp放至RSP寄存器
4. movq $1f,%1: 保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip（保存处理及上下文）
5. pushq %3: 将下一个进程next->thread.ip压栈
6. ret: 将栈顶的next->thread.ip存至rip寄存器，由于程序不能直接使用rip寄存器，需要分开两步处理
7. 1: 特殊地址位置
8. popq %%rbp: 将rbp寄存器的值修改为下一个进程的栈底（恢复处理器上下文）

实验总结

进程切换会使得运行环境产生实质性的变化。进程切换需要完成以下六个步骤（此处实验有所简略）：

1. 保存处理及上下文，包括程序计数器和其他寄存器
2. 更新PCB信息
3. 把进程的PCB移入相应队列，如就绪或阻塞队列
4. 选择下一个进程执行，更新其PCB
5. 更新内存管理的数据结构
6. 恢复处理器上下文
   进程切换依赖于中断机制，因此进行进程切换必须从用户态进入内核态（如实验模拟），之后又回到用户态。所以进程切换需花费大量的资源，引入线程显得就十分必要。