2020-2021-1 20209311《Linux内核原理与分析》第三周作业

2020-2021-1 20209311《Linux内核原理与分析》第三周作业

一、实验二 完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

1.实验内容

完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码。

2.实验过程

使用实验楼的虚拟机打开shell，依次输入如下命令：

rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

结果如图所示：

查看 mymain.c 和 myinterrupt.c ，结果如图：


替换 mymain.c 和 myinterrupt.c ，并加入mypcb.h。

mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2

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;

mymain.c

#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(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(    
            "pushl %%ebp
	"         /* save rbp of prev */
            "movl %%esp,%0
	"     /* save rsp of prev */
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  rsp of next */
            "movl $1f,%1
	"       /* save rip of prev */    
            "pushl %3
	"
            "ret
	"                 /* restore  rip of next */
            "1:	"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp
	"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }  
    return;    
}

myinterrupt.c

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(
    	"movl %1,%%esp
	" 	/* set task[pid].thread.sp to rsp */
    	"pushl %1
	" 	        /* push rbp */
    	"pushl %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);
        }     
    }
}

mypcb.h中定义的结构体PCB是进程管理块，其中，pid代表进程的标识符；state代表进程状态，初始值是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0；stack代表进程的用户栈；thread代表正在执行的线程信息，sp、ip分别代表当前栈顶和执行位置，task_entry代表进程的入口，next指向下一个PCB。mymain.c初始化了四个进程，并将其连接起来作为调度程序序列；my_start_kernel函数的作用是初始化进程0，使pcb的指针指向进程0，随后初始化其余的进程并开始运行0号进程；my_process函数用来循环并输出语句以及切换进程。myinterrupt.c对时间中断函数进行了修改，并添加了每次时间中断发生时采取的动作，即my_schedule函数，用于mymain.c中进程的切换。

代码修改后的运行结果如下：

二、Linux知识学习

堆栈是计算机三大法宝之一，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空间。

1.堆栈相关的寄存器

• ESP：堆栈指针。
• EBP：基址指针，C语言中用来记录当前函数调用基址。

2.堆栈操作

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

3.其他关键寄存器

CS：EIP总是指向下一条的指令地址，这里用到了CS寄存器，也就是代码段寄存器和EIP总是指向下一条的指令地址。

• 顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令。
• 跳转/分支：执行这样的指令时，CS：EIP的值会根据程序需要被修改。
• call：将当前ES：EIP的值压入栈顶，CS：EIP指向被调用函数的入口地址。
• ret：从栈顶弹出原来保存在这里的CS：EIP的值，放入CS：EIP中。

4.用堆栈来传递函数的参数

对32位的x86CPU来讲，通过堆栈来传递参数的方法时从右到左依次压栈，64位机器稍有不同。

5.函数传递返回值

EAX寄存器可以用来保存返回值；如果有多个返回值，EAX则会返回一个内存地址，这个内存地址可以指向很多的返回值。函数还可以使用参数传递返回值。

6.提供局部变量的空间

函数体内的局部变量是通过堆栈来存储的。

7.编译器使用堆栈的规则

不同版本的编译器对堆栈的使用规则不同；机器的处理器指令集不同时，汇编出的汇编代码也有所不同。