基于mykernel的一个时间片轮转进程调度的OS内核

mekernel实验环境的配置

使用的mykenel2.0基于x86-64/linux kernel 5.4.34

过程：

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
#下载mykernel的补丁
sudo apt install axel#用axel建立多个连接分片下载linux内核
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#解压linux内核
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch#给linux kernel打上mykernel的补丁
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev#提供c语言的编译环境
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
# 使用allnoconfig编译出来qemu无法加载启动，不知道为什么？有明白的告诉我，完整编译太慢了，消耗的资源也多。
make -j$(nproc) # 编译的时间比较久哦
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage #启动qemu虚拟机 加载bzImage镜像

基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

进入mykernel可以看到有两个.c文件，mymain.c与myinterrupt.c，我们需要做的工作为：

1.基于mymain.c写进程描述符PCB与进程链表的管理

2.基于myinterrupt.c完成时间片轮转的进程调度

mymain.c的代码如下：

void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            pr_notice("my_start_kernel here  %d \n",i);            
    }
}

my_start_kernel为一个死循环，当i为偶数的时候，就打印my_start_kernel here。

myinterrupt.c的代码如下：

void my_timer_handler(void)
 {
     pr_notice("\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
 }

my_timer_handler函数会被时钟中断周期调用，输出字符串 my_timer_handler here，该函数会被时钟中断程序锁调用。这样就通过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。

修改前执行效果：

 

修改：

PCB节点的定义：

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* 当前执行的线程的状态，包括指令寄存器与堆栈寄存器的值 */
struct Thread {
    unsigned long               ip;
    unsigned long               sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;//当前线程的线程Id
    volatile long state;        /* 当前线程的状态：-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
     /*当前进程的堆栈空间*/
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* 用于上下文切换时保存CPU当时的状态 */
    struct Thread thread;
     /*当前进程的入口点*/
    unsigned long       task_entry;
     /*用以形成PCB链表*/
    struct PCB *next;
}tPCB;
/*进程调度切换的函数声明*/
void my_schedule(void);

mymain.c完成PCB链表的管理

*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *  Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26
 *
 *  Copyright (C) 2013, 2020  Mengning
 *  
 */
#include 
#include string.h>
#include 
#include 
#include 


#include "mypcb.h"
/*轮转的进程组*/
tPCB task[MAX_TASK_NUM];
/*当前占用CPU的进程*/
tPCB * my_current_task = NULL;
/*用于切换进程*/
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);

/*系统的入口函数*/
void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* 创建0号进程，当前没进程占用CPU所以状态直接设为 runnable，并设置当前进程的入口函数，即ip指针所指向的位置即myprocess()函数，采用循环单链表，所有next指向自己*/
    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];
    /*然后创建1,2,3号进程 */
    for(i=1;i)
    {
         /*分配空间*/
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]);
         /*维护循环单链表*/
        task[i].next = task[i-1].next;
        task[i-1].next = &task[i];
    }
    /* 启动0号进程的执行 */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
        asm volatile(
             
        "movq %1,%%rsp\n\t"     /* 0号进程的栈底放至rsp寄存器中 */
        "pushq %1\n\t"          /* 栈顶入栈，rbp=rsp     */
        "pushq %0\n\t"          /* myproess的程序入口入栈*/
        "ret\n\t"                   /* 栈顶，即入口防止rip中 */
        :
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
        );
}

int i = 0;
/*进程所执行的程序*/
void my_process(void)
{
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
             /*需要调度，则先把my_need_sched置为0，然后调用my_schedule()进行调度*/
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                    my_schedule();
                }
                printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }
    }
}

中断并且完成进程的切换的函数：

*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *  Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26
 *
 *  Copyright (C) 2013, 2020  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;
/*时间片轮转的时间片计数*/
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;
}
/*用于进程切换的函数*/
void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;
    /*判空*/
    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 */
    {
         /*切换至当前进程*/
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
        /* 将上一个进程的状态保存至栈中 */
        asm volatile(
                "pushq %%rbp\n\t"           /* 将前一个进程的栈底保存至栈中*/
                "movq %%rsp,%0\n\t"     /* 将上一个堆栈的栈顶保存到PCB.Thread.sp中 */
                "movq %2,%%rsp\n\t"     /*将下一个进程的上一次的栈顶恢复至rsp寄存器中 */
                "movq $1f,%1\n\t"       /* 保存前一个进程的RIP寄存器到PCB中 */
                "pushq %3\n\t"        /*next进程的ip入栈*/
                "ret\n\t"                   /* 由于RIP寄存器对程序员不可见，所以直接使用movq来将next进程的ip放进rip寄存器 */
                "1:\t"                  /* 下一个进程的入口程序 */
                "popq %%rbp\n\t"
                : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
                : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }
    return;
}
     

 

分析：[部分见代码注释]

整体流程：

内核启动，进入startkernel()函数，进入后创建0号进程，之后创建1，2，3号进程然后启动0号进程，0号进程执行myprocess(),在初始的时候，控制是否该进行进程切换的标志位my_need_sched=0，0号进程一直执行内核态的printk函数，直至产生时钟中断，调用了my_timer_handler()函数，它会将进程切换的标志位my_need_sched置为1，此时myprocess()通过了if(my_need_sched == 1)的判断，执行my_schedule()进行进程的切换。

验证分析：

删除原来编译后的mymain.o与myinterrupt.o两个之前编译后的文件

然后执行make重新编译，并启动新生成的映像，可以看到产生了调度且基于时间片轮转==》验证了分析。