操作系统是如何工作的

杨明辉 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、实验过程:

        1.  按照下步骤Linux操作系统中配置实验环境:

1.  sudo apt-get install qemu # install QEMU

2. sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

3. wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # download Linux Kernel 3.9.4 source code

4. wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch #                                 downloadmykernel_for_linux3.9.4sc.patch

5. xz -d linux-3.9.4.tar.xz

6. tar -xvf linux-3.9.4.tar

7. cd linux-3.9.4

8. patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

9. make allnoconfig

       2. 输入make指令对程序进行编译,然后输入qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage指令运行程序运行结果如下图所示:操作系统是如何工作的_第1张图片
图1

图2
图3
操作系统是如何工作的_第2张图片
图4
二、 精简内核源码分析
       1. 进程描述符的数据结构定义如下:
struct Thread {
    unsigned long	ip;//指向CPU的运行地址
    unsigned long	sp;//指向堆栈的栈顶地址
    //todo add other attrubte of system thread
};
//PCB Struct
typedef struct PCB{
    int pid; // pcb id 
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];// each pcb stack size is 1024*8
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;//the task execute entry memory address
    struct PCB *next;//本次进程执行完毕后下次需要执行的进程
    unsigned long priority;// 进程的优先级
    //todo add other attrubte of process control block
}tPCB;
         2. 系统启动前的初始化过程
                源码及分析:

    //首先初始化0号进程,0号进程就是操作系统启动的第一个进程,0号进程地址为系统确定的一个地址   //每次系统从这个地址开始运行                                                                  int pid = 0;
    task[pid].pid = pid;//给予进程进程号
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    // 设置0号进程的执行的起始地址,本次模拟系统即为从my_process()函数开始执行
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;                      //设置进程的栈顶地址
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];                  //设置本次进程切换后下个执行的进程
    task[pid].next = &task[pid];
    /*按上面步骤依次初始化所有进程 */
    for(pid=1;pid<MAX_TASK_NUM;pid++)
    {
        memcpy(&task[pid],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[pid].pid = pid;
        task[pid].state = -1;
        task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
	task[pid].priority=get_rand(PRIORITY_MAX);//随机给予线程一个优先级
    }                                                                                            //设置最后一个进程的下一个进程为0号进程,形成一个环路调用
    task[MAX_TASK_NUM-1].next=&task[0];
    printk(KERN_NOTICE "\n\n\n\n\n\n                system begin :>>>process 0 running!!!<<<\n\n");
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];//设置当前执行的进程为0号进程
        3. 进程的启动过程源码及分析
1.源码
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*/
);
}
2.启动过程分析
     系统总是从0号进程开始启动,首先将当前进程的栈顶指针(task[pid].thread.sp)附值给%esp,然后压入堆栈保存下来,然后将所要执行的进程的首地址(tash[pid].thread.ip)压入堆栈,最后利用ret指令进入到所要执行的进程开始执行,这样就达到了进程的启动。

4. 时间片轮转以及进程行代码分析

        时间片轮转代码及分析:

void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    // 程序执行2000次,设置my_need_sched为1,使正在执行的进程交出CPU运行下一个进程。
    if(time_count%2000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        my_need_sched = 1;
	//time_count=0;
    }
    time_count ++ ;
#endif
    return;
}
进程执行代码及分析:



void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)//每执行10000000次输出一次结果
        {
            	printk("this is pcd %d",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)//检测CPU时间是否用完,当时间用完时重新给进程设置优先级,并调用my_schedule()进行进程切换。
            {
                my_need_sched = 0;
                sand_priority();
	        my_schedule();  
	   }
        }
    }
}//end of my_process

             5. 进程切换代码及分析

代码

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;
    // if there no task running or only a task ,it shouldn't need schedule
    if(my_current_task == NULL
        || my_current_task->next == NULL)
    {
	printk(KERN_NOTICE "                time out!!!,but no more than 2 task,need not schedule\n");
     return;
    }
    next = get_next();
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {//save current scene
     /* 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;//switch to the next task
    printk(KERN_NOTICE "                switch from %d process to %d process\n                >>>process %d running!!!<<<\n\n",prev->pid,next->pid,next->pid);

  }
    else
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
    printk(KERN_NOTICE " switch from %d process to %d process\n >>>process %d running!!!<<<\n\n\n",prev->pid,next->pid,next->pid);
     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)
     );
    }
    return;	
}//end of my_schedule
过程分析

1.进程切换时首先使用get_next()函数获取进程优先级最高的进程作为将要调度的进程。

2.利用pushl  %%ebp指令保护现场,然后利用pushl %3指令将下一个进程的代码首地址(next->thread.ip)压入堆栈,然后利用ret指令将该地址附值给eip寄存器,使程序跳转到下一个进程的代码首地址开始执行,从而使CPU切换到下一个进程开始执行。

三、总结

1. 当变量太多,寄存器不够使用时,计算机利用堆栈来保证变量,同样函数调用时,系统也利用堆栈来传递参数

2. 系统使用eip寄存器来定位程序的执行地址,eip寄存器的值不能直接附值,只能通过指令来改变。

3. 系统给每个进程分配一定的时间片来执行,时间片用完后就要交出CPU运行下一个进程,即利用中断来实现进程的并发。

4. 当进程切换时,系统会保存当前的工作状态,以便于下次恢复进程,使进程继续执行。


 

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