基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

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实验要求

1,按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译。
2,基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核，参照https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码。
3,简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制。

实验内容

1,配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译
（1）首先需要配置虚拟环境，本次实验采用Ubuntu 14.04完成虚拟环境配置。

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc) 
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

以上的代码中，第一条可能地址会不正确，因此，可以直接到github上下载。老师的github

（2）通过运行以上命令从而成功启动执行程序，从QEMU窗口输出的内容可以看到输出 my_start_kernel here 和 my_timer_handler here。

（3）通过mymain.c和 myinterrupt.c 程序可以看出 mymain.c 通过每次计数达到100000输出一次my_start_kernel here从而不停的执行。同时还具有一个中断处理程序的上下文环境，周期性的产生时钟中断信号，触发myinterrupt.c程序执行输出 my_timer_handler here。这样就通过Linux内核代码模拟了一个具有时钟中断和C代码执行环境的硬件平台。

2,基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
（1）接下来需要在 mymain.c 的基础上继续写进程描述PCB和进程链表管理等代码，在 myinterrupt.c 的基础上完成进程切换代码，才可以完成一个简单的操作系统内核从而进行进程调度。
（2）首先进入 mykernel 文件夹，然后通过使用 touch 命令新建一个mypcb.h文件， 并复制相应代码。同时利用 GitHub 上的 mymain.c 和 myinterrupt.c 文件替代原先文件。
（3）使用 make 指令重新编译，并运行 qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage指令。即可观察到进程的切换调度过程。

进程控制块mypcb.h分析

#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);

MAX_TASK_NUM 指定进程的数目
KERNEL_STACK_SIZE 指定进程堆栈空间大小
struct Thread 用来定义进程结构体，其中ip为指令指针，sp为栈顶指针
struct PCB 用来定义进程控制块结构体
pid为进程id
state为进程当前状态，-1代表阻塞态，0代表可运行态，>0代表暂停状态
stack[KERNEL_STACK_SIZE]为进程堆栈
thread为保存进程指令指针和栈顶指针的变量
task_entry为进程的程序入口地址
next为执向下一进程控制块的指针，即进程控制块通过链表数据结构存储

分析mymain.c,负责初始化内核的各个组成部分

/*
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;/* -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].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(
        "movq %1,%%rsp
	"     /* set task[pid].thread.sp to rsp */
        "pushq %1
	"             /* push rbp */
        "pushq %0
	"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret
	"                 /* pop task[pid].thread.ip to rip */
        : 
        : "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 -
",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);
        }     
    }
}

其中__init my_start_kernel函数首先对0号进程进行初始化，其中包括将进程的pid设置为对应的序号，进程的状态设置为可运行态，进程的程序入口地址设置为my_process 函数，进程的栈顶指针为该进程的堆栈栈底，进程执行下一进程的指针初始化为指向自身。
接下来继续初始化剩余进程并将进程通过链表形式来进行链接，其中各进程之间的 pid 和栈顶指针以及指向下一进程的指针都不相同。
最后通过汇编代码来启动0号进程，将指令指针ip存入ecx寄存器，将栈顶指针sp存入edx寄存器，进程的栈顶指针的值赋给esp寄存器，将栈顶地址sp、进程指令指针ip入栈，最后将ip指令指针出栈保存至esp寄存器，跳转至进程入口函数开始运行0号进程。

接下来的my_process函数是通过进程运行完一个时间片后主动让出CPU的方式，通过判断my_need_sched的值来决定是否调用my_schedule()函数来进行进程之间的切换。

myinterrupt.c文件分析

#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(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        my_need_sched = 1;
    }
    time_count ++ ; 
    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)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {       
     my_current_task = next;
     printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid); 
     /* switch to next process */
     asm volatile( 
         "pushq %%rbp
	"      /* save rbp of prev */
         "movq %%rsp,%0
	"  /* save rsp of prev */
         "movq %2,%%rsp
	"     /* restore  rsp of next */
         "movq $1f,%1
	"       /* save rip of prev */ 
         "pushq %3
	"
         "ret
	"              /* restore  rip of next */
         "1:	"                  /* next process start here */
         "popq %%rbp
	"
         : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
         : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
     );
    } 
    return; 
}

主要就是my_schedule(void)分析
进程函数中每隔一定时间会执行一次调度，调度的代码在my_schedule(void)函数中实现，首先找到PCB链表中的下一个节点，然后切换到该进程，这部分代码由内嵌汇编实现。
进程切换过程中prev进程和next进程的堆栈和相关寄存器的变化过程大致如下：
　　1. pushq %%rbp 保存prev进程的当前RBP寄存器的值到prev进程的堆栈。
　　2. movq %%rsp,%0 保存prev进程的当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp，实际上就是将prev进程的栈顶地址保存。
　　3. movq %2,%%rsp 将next进程的栈顶地址next->thread.sp放入RSP寄存器，完成了prev进程和next进程的堆栈切换。
　　4. movq $1f,%1 保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip，这里$1f是指标号1。
　　5. pushq %3 把即将执行的next进程的指令地址next->thread.ip入栈，这时的next->thread.ip可能是next进程的起点my_process(void)函数，也可能是$1f（标号1）。第一次被执行从头开始为next进程的起点my_process(void)函数，其余的情况均为$1f（标号1），因为next进程如果之前运行过那么它就一定曾经也作为prev进程被进程切换过。
　　6. ret 就是将压入栈中的next->thread.ip放入RIP寄存器，为什么不直接放入RIP寄存器呢？因为程序不能直接使用RIP寄存器，只能通过call、ret等指令间接改变RIP寄存器。
　　7. 标号1是一个特殊的地址位置，该位置的地址是$1f。
　　8. popq %%rbp 将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。

成果展示

写好记得得重新编译，千万检查一遍再编译，只要错一点，就得再重新编译一次，时间上代价很大。

cd ..
make clean
make
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

最后附上我的CSDN