2020-2021-1 20209318《Linux内核原理与分析》第三周作业

操作系统是如何工作的

基础知识

计算机的3个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈机制、中断。

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、提供函数内部局部变量的存储空间等。

堆栈相关寄存器：

• ESP：堆栈指针。
• EBP：基址指针。C语言中记录当前函数的调用基址。
• CS:EIP：指向下一条的指令地址。
• EAX：保存返回值或返回地址。

堆栈操作：

• push：入栈，栈顶地址减少4个字节（32位），将操作数放入栈顶存储单元。
• pop：出栈，栈顶地址增加4个字节（32位），将栈顶存储单元的内容取出放入操作数。

中断：当一个中断信号发生时，CPU把当前正在执行的程序的CS:EIP寄存器和ESP寄存器等都压到了内核堆栈，然后把CS:EIP指向一个中断处理程序入口，保存现场，之后执行其他程序，等重新回来再恢复现场，恢复CS:EIP和ESP寄存器等，继续执行程序。

虚拟一个x86的CPU

在实验楼上进行操作

$cd LinuxKernel/linux-3.9.4
$make allnoconfig
$make
$qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

查看mymain.c和myinterrupt.c的内容

在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核

参考GitHub上的代码进行修改

mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* 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);

mypcb.h用来定义进程控制块，包括进程标识pid、进程状态state、进程入口entry等。

mymain.c
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#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;                              
    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].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];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;                                              
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
    	"movl %1,%%esp
	" 	/*将进程原堆栈的栈底的地址存入ESP寄存器中*/
    	"pushl %1
	" 	        /*将当前ESP寄存器的值入栈*/
    	"pushl %0
	" 	        /*将当前进程的EIP寄存器的值入栈*/
    	"ret
	" 	            /*让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中*/
    	"popl %%ebp
	"        /*这里不会被执行，只是一种编码习惯，与前面的push结对出现*/
    	: 
    	: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)	/* input c or d mean %ecx/%edx*/
      );
} 

void my_process(void)
{    
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)                       
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

mymain.c是内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。

myinterrupt.c
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#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;

void my_timer_handler(void)      
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        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<<<
");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)                  
    { 
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"          /* 将当前进程的EBP入栈 */
            "movl %%esp,%0
	"     /* 将当前进程的ESP保存到PCB  */
            "movl %2,%%esp
	"     /* 将next进程的栈顶地址放入ESP */
            "movl $1f,%1
	"            /* 保存当前进程的EIP */
            "pushl %3
	"                /* 把即将进行的进程的代码位置标号1入栈 */ 
            "ret
	"                           /* 出栈标号1到EIP*/
            "1:	"                               /* 标号1，next进程开始执行的位置 */
            "popl %%ebp
	"           /* 恢复EBP的值*/
            : "=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<<<
",prev->pid,next->pid);      
    }
    else                                         
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"           /* 将当前进程的EBP入栈 */
            "movl %%esp,%0
	"      /* 将当前进程的ESP保存到PCB  */
            "movl %2,%%esp
	"      /* 将next进程的栈顶地址放入ESP */
            "movl %2,%%ebp
	"      /* 将next进程的栈底地址放入EBP */
            "movl $1f,%1
	"             /* 将当前EIP的值放入PCB */ 
            "pushl %3
	"                  /* 把即将进行的进程的代码入口地址入栈 */ 
            "ret
	"                             /* 把即将进行的进程的代码入口地址存入EIP */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
    return; 
}

myinterrupt.c增加了进程切换的代码my_schedule(void)函数

make

运行结果：

遇到的问题

为什么使用内核源代码中使用的是printk？

通过查找博客得知：

printk在内核源码中用来记录日志信息的函数，只能在内核源码范围内使用。用法和printf非常相似，printk函数主要做两件事情：第一件就是将信息记录到log中，而第二件事就是调用控制台驱动来将信息输出。日志级别用来控制printk打印的这条信息是否在终端上显示的，当日志级别的数值小于控制台级别时，printk要打印的信息才会在控制台打印出来，否则不会显示在控制台。