第二周 操作系统是如何工作的

一.函数调用堆栈

计算机是如何工作的(三个法宝)

• 存储程序计算机
• 函数调用堆栈
• 中断机制

堆栈:

esp:堆栈指针

ebp:基址指针,在C语言中用作记录当前函数调用基址

CS:eip:总是指向下一条的指令地址

call xxx

    执行call之前

    执行call时，cs : eip原来的值指向call下一条指令，该值被保存到栈顶，然后cs : eip的值指向xxx的入口地址

进入xxx

    第一条指令： pushl %ebp

    第二条指令： movl %esp, %ebp

    函数体中的常规操作，可能会压栈、出栈

退出xxx

    movl %ebp,%esp

    popl %ebp

    ret

二.借助Linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作机制及时钟中断

l  mykernel实验指导

虚拟机打开shell

1. cd LinuxKernel/linux-3.9.4
2. qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后cd mykernel ,可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c

三．实验：完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

1. mypcb.h

       首先来看mypcb.h。其中定义了两个结构和一个函数。

 struct Thread { unsigned long ip; unsigned long sp; };

 

     第一个是结构Thread，里面有两个变量，ip和sp用于保存现场。

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;

       第二个是结构PCB，PCB结构定义了进程管理块，包括6各变量：（1）pid进程标识符；（2）state状态，-1表示不可运行，0表示可运行，>0表示停止；（3）定义了一个栈空间；（4）一个Thread变量；（5）任务入口点；（6）下一个PCB的指针。

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8 void my_schedule(void);

       还定义了一个my_schedule函数，以及两个宏定义。

2. mymain.c

 

tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL; volatile int my_need_sched = 0;

 

       首先定义了3个全局变量，两个PCB结构，一个是所有的进程集合，一个是当前的进程。

void my_process(void); void __init my_start_kernel(void){}；

       然后是两个函数，my_process和my_start_kernel。

（1）my_start_kernel函数

       这个函数可以分为三部分来解析。

    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];

       第一部分，是初始化进程0。pid代表了进程号，0是第一个。state代表运行状态，初始化为可运行。Thread的ip就是进程入口点，其实就是进程运行的起点。sp实际上是定义了一段进程的栈空间。最后定义了下一个PCB的链接先指向自己。

    /*fork more process */ for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++) { memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); task[i].pid = i; task[i].state = -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]; }

       第二部分，是根据第一个进程0初始化余下的进程。因为我们设置最大进程数为4，所以这里实际上是设置了进程1-3的数据结构的值。

    /* 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 */ "popl %%ebp\n\t" : : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/ );

       最后一个部分，是从进程0号开始运行。这里使用了内联汇编编程，实际上就是将进程0的thread.sp的值赋给esp，将当前运行的地址保存到栈中，这样如果切换的话就可以保证下一个进程结束时回到原来的位置执行。

       总而言之，my_start_kernel函数实现了定义进程数组，并运行第一个进程。

（2）my_process函数

    int i = 0; 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_process函数很简单，就是建立一个循环不断运行进程，并输出表明进程正在运行的语句。这里注意有一个my_schedule()函数，实际上这个函数是在myinterrupt.c中实现的，主要作用是切换进程。

3. myinterrupt.c

extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]; extern tPCB * my_current_task; extern volatile int my_need_sched; volatile int time_count = 0;

       首先定义了一些全局变量。然后主要实现了两个函数：my_time_handler和my_schedule，其中my_time_handler实现了中断，而my_schedule实现了中断之后进程的切换。

（1）my_time_handler函数

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; }

       这个函数也很简单，就是每1000毫秒的时候产生一个中断，产生中断之后把my_need_sched设置为1，这样mymain.c中的my_process函数就会调用my_schedule函数来进行进程切换。

（2）my_schedule函数

       这个函数才是重点，实现了时间片轮转的中断处理过程。

    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;

       首先是初始化next和prev两个PCB结构。

    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ { /* 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) ); my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); }

       这一段是循环运行代码，就是当下一个进程的state状态是可运行时，说明这个进程之前已经在运行了，此时可以继续执行，就切换到下一个进程，这中间有一段内联汇编，实现了保存栈地址和栈指针，这样进程切换回来的时候就可以正常运行。然后根据之前保存的栈地址恢复执行。

    else { next->state = 0; my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); /* switch to new process */ asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */ "movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */ : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); } 

       当下一个进程的state不为0时，那么也就是说下一个进程还从来都没有执行过，所以这一段内联汇编的作用是开始执行一个新进程。