2020-2021-1 20209326 《Linux内核原理与分析》第三周作业

一、课本知识

1.计算机的3个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制
2.堆栈具体的作用有：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。
3.堆栈相关的寄存器:
ESP：堆栈指针，堆栈空间是从高地址向低地址增长的（X86体系结构）。
EBP：基址指针，在C语言中用作记录当前函数调用基址。
4.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。
5.其他操作
call：将当前CS: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。
6.对于x86 CPU，通过堆栈来传递参数的方法是从右到左依次压栈。

二、实验内容:完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

1.实验代码

从mengning/mykernel下载代码

mypcb.h 定义进程控制块

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* 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 */
    char 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);

myinterrupt.c 其中my_schedule(void)函数：切换进程

/*
 *  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指针指向了下一号进程，prev指针指向了本进程
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */  //0对应next进程执行过，
    {
    	my_current_task = next; 
    	printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);  
    	/* switch to next process */
    	asm volatile(	
        	"pushl %%ebp
	" 	    /* save ebp */                  //保存当前进程esp到堆栈，保存进程上下文
        	"movl %%esp,%0
	" 	/* save esp */                      //保存当前esp到当前进程pcb中
        	"movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */                  //将next进程的堆栈栈顶的值存入esp寄存器
        	"movl $1f,%1
	"       /* save eip */	                    //保存当前进程的eip值，下次恢复进程后将在标号1开始执行
        	"pushl %3
	"                                              //将next进程继续执行的代码位置（标号1）压栈（next进程的堆栈）
        	"ret
	" 	            /* restore  eip */              //出栈标号1到esp寄存器
        	"1:	"                  /* next process start here */       //标号1，即next进程开始执行的位置
        	"popl %%ebp
	"                                            //恢复ebp寄存器的值
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	); 
 	
    }
    else                                                            //对应next进程第一次执行
    {
        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
	" 	    /* save ebp */           //保存当前进程esp到堆栈，保存进程上下文
        	"movl %%esp,%0
	" 	/* save esp */               //保存当前进程esp到pcb，保存进程上下文
        	"movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */           //载入next进程的栈顶地址到esp寄存器，即将工作堆栈切换到next进程
        	"movl %2,%%ebp
	"     /* restore  ebp */           //载入next进程的堆栈基址到ebp寄存器，由于next进程为一个新进程，堆栈为空
        	"movl $1f,%1
	"       /* save eip */	             //保存当前eip寄存器值到pcb,$1f指向上面编号1，堆栈不变
        	"pushl %3
	"                                       //把即将执行的进程的代码入口地址入栈（next进程的堆栈）
        	"ret
	" 	            /* restore  eip */       //出栈进程的代码入口地址到EIP寄存器
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	);          
    }   
    return;	
}

mymain.c

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  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"

tPCB task[MAX_TASK_NUM];                  //定义4个进程
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*/            //初始化0号进程
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */             //0号进程为执行状态
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;     //进程的入口为my_process
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];
    /*fork more process */      //创建并初始化1,2,3号进程为就绪状态
    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] */      //0号进程开始执行
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
	asm volatile(                     
    	"movl %1,%%esp
	" 	/* set task[pid].thread.sp to esp */ //esp寄存器指向进程0的栈底
    	"pushl %1
	" 	        /* push ebp */                       //将当前ebp寄存器的值入栈，因为是空栈，esp与ebp相同
    	"pushl %0
	" 	        /* push task[pid].thread.ip */       //将当前eip入栈
    	"ret
	" 	        /* pop task[pid].thread.ip to eip */ //my_process(void)的位置放入eip中，0号进程启动，开始执行my_process(void)
    	"popl %%ebp
	"                                             //永不执行代码
    	: 
    	: "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)      //每当运行10000000 次后就会进行一次输出
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)      //time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1时时间中断调度
            {
                my_need_sched = 0;
        	    my_schedule();
        	}
        	printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

2.编译程序并执行

$ make
$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

三、总结

Linux操作系统的正常工作可以说有三个非常重要的部分，就是存储程序原理、堆栈以及中断的支持。 操作系统对进程的管理主要就是进程的管理和调度，为每个进程维护一个进程描述和以及进程间的关系。内核的工作主要有两部分组成，首先运行有一个内核线程，然后就是一些中断处理程序的集合，在中断处理程序中要就行进程的调度。