2020-2021-1 20209312《Linux内核原理与分析》第三周作业

一． mykernel实验（关于操作系统是如何工作的）

运行并分析一个精简的操作系统内核，理解操作系统是如何工作的
使用实验楼的虚拟机打开shell 然后执行下面的操作

cd LinuxKernel/linux-3.9.4

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后cd mykernel 您可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c
使用自己的Linux系统环境搭建过程参见mykernel,其中也可以找到一个简单的时间片轮转多道程序内核代码。

# 注意路径是区分大小的
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4

$ rm -rf mykernel

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

$ make allnoconfig

# 编译内核请耐心等待
$ make

$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

3.实验楼虚拟机开始实验

打开mymain.c文件，下面为mymain.c的函数描述，它是内核启动的起始位置，从这开始并循环。

void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here  %d 
",i);

    }
}

myinterrupt.c

void my_timer_handler(void)
{
    printf(KERN_NOTICE "
>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

");
}

关于1和2的结果分析

初始内核的运行结果

 关于my_start_kernel()函数，每隔一段时间被my_timer_handler()中断，执行下面的语句

printf(KERN_NOTICE “
>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

”)；

 最后再执行my_start_kernel()。

二 修改内核代码，使之成为一个简单的时间片轮转多道程序内核，然后重新编译运行。

简单替换关于三个文件的内容后 重新执行make 再次输入下面代码 重启内核

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage 

 运行的结果

在下图的结果中，可以看到进程的切换：在0号进程运行过程中，首先是my_timer_handler()被执行，然后是myschedule()被执行，myschedule()这个函数它在运行过程中会打印switch 0（被切换出去的进程号） to 1（切换到的进程号）。然后就跳到新的进程1继续执行。

 三 mykernel内核源代码分析

mypcb.h

struct Thread {
    unsigned long       ip;        //进程eip
    unsigned long       sp;        //进程esp
};

typedef struct PCB{
    int pid;                                //进程id
    volatile long state;                    //进程状态
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];          //进程堆栈
    struct Thread thread;                   //
    unsigned long   task_entry;             //进程的起始入口地址
    struct PCB *next;                       //指向下一个进程
}tPCB;

void my_schedule(void);                     //进行进程调度

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;
    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];

    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];
    }
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp
	"   
        "pushl %1
	"          
        "pushl %0
	"        
        "ret
	"      
        "popl %%ebp
	"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   
    );
}


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);
        }     
    }
}

myinterrupt.c

另外还要修改myinterrupt.c文件，增加进程调度函数my_schedule(void)，以进行进程切换。

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#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;

/*
 * 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<<<
");
        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;//将下一个将要运行的进程设置为my_current_task->next指向的下一个进程。
    prev = my_current_task;//将当前进程设置为prev进程。
    if(next->state == 0)/*如果下一个将要运行的进程已经处于运行状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"       /* 保存当前进程的ebp到自己的栈中。    save ebp */
            "movl %%esp,%0
	"     /* 保存当前进程的esp到自己的栈中。    save esp */
            "movl %2,%%esp
	"     /* 从next->thread.sp中弹出下一个进程的esp。与第二句相对应。   restore  esp */
            "movl $1f,%1
	"       /* 将下一个进程的eip设置为1f。$1f就是指标号1:的代码在内存中存储的地址  save eip */   
            "pushl %3
	"          /* 将next->thread.ip压入当前进程的栈中。*/
            "ret
	"               /* 从当前进程的栈中弹出刚刚压入的next->thread.ip。完成进程切换。  restore  eip */
            "1:	"                  /* 即$1f指向的位置。next process start here */
            "popl %%ebp
	"        /* 切换到的进程把ebp从栈中弹出至ebp寄存器。与第一句相对应。*/
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; //当前进程切换为next
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid); //打印切换信息     
    }
    else//如果下一个将要运行的进程还从未运行过。
    {
        next->state = 0;//将其设置为运行状态。
        my_current_task = next;////当前进程切换为next
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);//打印切换信息
        /* switch to new process */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"       /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
	"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */
            "movl %2,%%ebp
	"     /* restore  ebp */
            "movl $1f,%1
	"       /* 将要被切换出去的进程的ip设置为$1f。这样等一下它被切换回来时（一定是运行状态）肯定会进入if判断分支，可以从if中的标号1处继续执行。  save eip */    
            "pushl %3
	"          /* 将next->thread.ip（因为它还没有被运行过，所以next->thread.ip现在仍处于初始状态，即指向my_process()，压入将要被切换出去的进程的堆栈。*/
            "ret
	"               /* 将刚刚压入的next->thread.ip出栈至eip，完成进程切换。   restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
    return; 
}

 内核的运行过程，启动内核，启动0号进程进行初始化，下面的代码是0号进程的启动部分。

asm volatile(  
        "movl %1,%%esp
	"     /*将进程原堆栈栈顶的地址（这里是初始化的值）存入ESP寄存器 */  
        "pushl %1
	"          /* 将当前EBP寄存器值入栈 */  
        "pushl %0
	"          /* 将当前进程的EIP（这里是初始化的值）入栈*/  
        "ret
	"               /* ret命令正好可以让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中*/  
        "popl %%ebp
	"       /*这里永远不会被执行，知识与前面push指令结对出现，是一种编码习惯*/
        :   
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   
    ); 

在进程0的时间片用完时，将利用进程调度函数，运行进程1，其调度过程的代码如下：

if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"       
            "movl %%esp,%0
	"  
            "movl %2,%%esp
	"   
            "movl $1f,%1
	"         
            "pushl %3
	" 
            "ret
	"         
            "1:	"                 
            "popl %%ebp
	"
            : "=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
	"      
            "movl %%esp,%0
	"    
            "movl %2,%%esp
	"    
            "movl %2,%%ebp
	"     
            "movl $1f,%1
	"         
            "pushl %3
	" 
            "ret
	"          
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }

四 操作系统的运行分析

操作系统在内核启动时，有一个起始位置，从这个起始位置开始执行启动。执行一些初始化操作后，将CPU分配给第一个进程，开始执行第一个进程，然后通过一定的调度算法，比如时间片轮转，在一个时间片后，发生中断，第一个进程被阻塞，在完成保存现场后将CPU分配给下一个进程，执行下一个进程。这样，操作系统就完成了基本的进程调度的功能。

现代操作系统一般都是采用基于时间片的优先级调度算法，把CPU的时间划分为很细粒度的时间片，一个任务每次只能时间这么多的时间，时间到了就必须交出使用权，即换其他的任务使用。

自己看了一会关于操作系统的中断机制 看的迷迷糊糊 还需要继续学习 下面摘录一些关于中断的运行机制

中断信号由外部设备发起，准确来说是由外部设备的控制器发起，因为外部设备本身并不能发起信号。必须网卡设备，的那个网络数据包到达网卡，网卡的控制器就向IO APIC发送中断信号，IO APIC把信号发送给本地APIC，本地APIC把信号传送给CPU，如果根据当时情况，要处理这个中断，就保存当时的运行上下文，切换到中断上下文中，根据IDT查找对应的处理函数进行处理。处理完成后，需要恢复中断之前的状态。