实验：基于mykernel完成多进程的简单内核

学号后三位:403
原创作品转载请注明出处 https://github.com/mengning/linuxkernel/

实验要求

完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码，参考代码见mykernel版本库。
详细分析该精简内核的源代码并给出实验截图，撰写一篇博客;
题目自拟，内容围绕操作系统是如何工作的进行；
博客中需要使用实验截图
博客内容中需要仔细分析进程的启动和进程的切换机制
总结部分需要阐明自己对“操作系统是如何工作的”理解。

实验环境

本次实验的环境是实验楼，mykernel相关环境已经部署完毕

实验过程

打开shell并依次输入下列命令

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

在输入make命令后等待一段时间进行编译;时间较长，编译完结果如下

然后输入qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage进行运行，效果图如下
可以看出，my_start_kernel here与my_time_handler here不断的循环输出出来

源码分析

我们可以阅读mymain.c和myinterrupt.c的源代码，了解一下程序的运行机制


可以看出mymain.c和myinterrupt.c均有一个while循环体结构，不断输出代码中printf的内容。
此为mykernel启动之后，系统周期性的调用myinterrupt.c中的my_timer_handler函数和mymain.c中的my_start_kernel函数。

时间片轮转多道批处理程序内核代码分析

将孟老师提供的三个文件mymain.c myinterrupt.c mypcb.h覆盖到原目录

依次执行下列命令

make clean
make allnoconfig          
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

得到运行结果如下

mypcb.h

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 # unsigned long
/* 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);

在这个文件里，定义了 Thread 结构体和PCB结构体， Thread 结构体用于存储当前进程中正在执行的线程的EIP和ESP寄存器的信息，PCB结构体中的各个字段含义如下：
pid：进程号
state：进程状态，-1表示不能运行，0表示可以运行，大于0表示暂停
stack：进程使用的堆栈
thread：当前正在执行的线程信息
task_entry：进程入口函数
next：指向下一个PCB，本次实验中中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
my_schedule函数声明，在myinterrupt.c中实现，用于进程切换。

mymain.h

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#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;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
	//*(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
	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(
    	"movl %1,%%esp\n\t" 	/* set task[pid].thread.sp to esp */
    	"pushl %1\n\t" 	        /* push ebp */
    	"pushl %0\n\t" 	        /* push task[pid].thread.ip */
    	"ret\n\t" 	            /* pop task[pid].thread.ip to eip */
    	: 
    	: "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);
        }     
    }
}

my_start_kernel 是系统启动后最先调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。
在汇编语言当中
%1指的是task[pid].thread.sp,%0是task[pid].thread.ip
“movl %1,%%esp\n\t” 将原堆栈的栈顶放到sp寄存器中
“pushl %1\n\t” 将ep寄存器的值存入栈
“pushl %0\n\t” 将当前进程ip值入栈
这样0号进程开始启动,程序去执行my_process()

myinterrupt.c

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#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 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    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(	
        	"pushl %%ebp\n\t" 	    /* save ebp */
        	"movl %%esp,%0\n\t" 	/* save esp */
        	"movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
        	"movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */	
        	"pushl %3\n\t" 
        	"ret\n\t" 	            /* restore  eip */
        	"1:\t"                  /* next process start here */
        	"popl %%ebp\n\t"
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	); 
    }  
    return;	
}

其中，用于完成进程切换的嵌入式汇编具体过程如下所示：

1."pushl %%ebp\n\t"将ebp寄存器的内容压栈；
2."movl %%esp,%0\n\t"将esp寄存器的内容保存到当前进程的sp中；
3."movl %2,%%esp\n\t"将下一个进程的sp的值保存到esp寄存器中；
4."movl $1f,%1\n\t"将下一条指令的地址保存到当前进程的ip中；（保存现场）
5."pushl %3\n\t"将下一个进程的ip的值压栈；
6."ret\n\t"通过ret指令从栈顶弹出原来保存在这里的eip的值，放入EIP寄存器中。
7."popl %%ebp\n\t"开始执行下一个进程，并且出栈下一个进程ebp寄存器的内容。

由上述分析可知：
mymain.c：负责完成各个进程的初始化并且启动0号进程；
myinterrupt.c：负责完成时钟中断的处理及进程的切换；
mypcb.h：负责完成进程控制块PCB结构体的定义。

总结

操作系统的工作主要依赖三项：
1.存储程序计算机
2.函数嗲用堆栈机制
3.中断支持
堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，堆栈的具体作用有：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供内部局部变量的存储空间等。而中断的支持也不容忽视，有了中断才有了多道处理程序，在没有中断机制之前，计算机智能一个程序一个程序的运行，也就是批处理，而无法实现并发执行。有了中断机制之后，当中断信号发生时，CPU把当前正在执行的程序的EIP、ESP寄存器的内容都压到堆栈当中进行保存。之后转而执行其他的程序，等执行过后还能依靠堆栈来恢复现场，恢复EIP、ESP寄存器的值，进而继续执行中断前的程序。