《庖丁解牛》第二章书本知识总结
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函数调用框架
call指令有两个作用：
(1) 将CS:EIP中下一条指令的地址A保存在栈顶；
(2)设置CS:EIP指向被调用程序的第一行。
ret指令在被调用函数完成之后，将地址A恢复到CS:EIP中。
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传递参数
因为存储参数使用堆栈，根据后入先出的规则，传递参数的方法是从右到左依次压栈。 -
计算机的3大法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈机制、中断。
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内嵌汇编语法规则
asm volatile （
汇编语句：
输出部分： //需要在行首加上冒号:
输入部分： //需要在行首加上冒号:
破环描述部分
）
(1)volatile是告诉编译器不要优化代码
(2)汇编代码嵌入时和直接方式有些许不同，体现在%转义符号。寄存器前面会有两个%，而%加数字则表示在输出部分、输入部分、破环描述部分的编号，从零开始，最高到总个数-1。
(3)一些符号
"c"、"d"等符号分别表示寄存器
ecx、edx。
"r"表示将输入变量放到通用寄存器，也就是eax、ebx、ecx、edx、esi、edi中的一个。
"="表示操作数在指令中是只写的，输出操作数。
"+"表示输入输出操作数是读写类型的。
"m"表示内存变量。
实验：mykernel时间片轮转多道程序内核
- 进入实验楼实验，在终端中分别输入以下命令
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch //打补丁
make allnoconfig
make //编译内核时间较长
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
make过程如下图：
make成功后mykernel运行：
- 在mykernel的基础上添加
mypcb.h，修改mymain.c和myinterrupt.c文件，实现一个简单的操作系统内核，设置为时钟中断发生100次时，将需要调度的flagmy_need_sched设置为1。运行结果如下:
mykernel时间片轮转代码分析
实验中，基于mykernel，添加了
mypcb.h，修改mymain.c和myinterrupt.c文件，下面对这三个文件的代码进行分析。
- mypcb.h头文件
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip; //对应eip
unsigned long sp; //对应esp
};
typedef struct PCB{
int pid; //定义进程id
volatile long state; //-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //内核堆栈
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry; //入口
struct PCB *next;
}tPCB;
void my_schedule(void); //声明调度函数
这段代码主要定义了进程控制块PCB，包括：
pid：进程id
state：进程状态，初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0 ，被终端后，其值>0
stack：本进程使用的堆栈
thread：当前正在执行的线程信息
task_entry：进程入口函数
next：指向下一个PCB，实验环境中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
- mymain.c文件
#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]; //PCB的数组task
tPCB * my_current_task = NULL; //当前task指针
volatile int my_need_sched = 0; //是否需要调度
void my_process(void); //my_process函数声明
void __init my_start_kernel(void) //mykernel内核代码的入口
{
int pid = 0;
int i;
/* 初始化0号进程*/
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其他进程 */
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];
}
/* 用task[0]开始0号进程 */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
asm volatile(
"movl %1,%%esp
" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1
" /* push ebp */
"pushl %0
" /* push task[pid].thread.ip */
"ret
" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
"popl %%ebp
"
:
: "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) //判断是否需要调度
{
my_need_sched = 0;
my_schedule(); //这是一个主动调度
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
}
}
}
本实验环境中，mykernel是内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分，在实际的Linux内核中，入口为init/main.c中的start_kernel(void)函数。
在本实验环境中，每个进程的函数都是 my_process函数，进程在运行中打印当前进程号，并通过my_need_sched变量判断是否需要调度，这是在myinterrupt.c文件中进行赋值的一个变量。
下面对0号进程的启动进行分析：
1"movl %1,%%esp
" %1指第2个输入输出"d" (task[pid].thread.sp)，将进程的栈顶位置存入ESP寄存器
2"pushl %1
" 将task[0].thread.sp压栈，即保存当前EBP值
3"pushl %0
" 将task[0].thread.ip压栈，当前进程的EIP值入栈
4"ret
" 将栈顶值取出到EIP寄存器，即刚刚入栈的0号进程ip值
5 "popl %%ebp
" 在执行完其他进程之后，回到0号进程，释放栈空间
6 : 没有输出
7 : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) 输入，将0号进程的ip、sp值分别存入ecx、edx寄存器中。
- myinterrupt.c文件
#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引用全局变量
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;
void my_timer_handler(void) //时钟中断触发本函数
{
#if 1
if(time_count%100 == 0 && my_need_sched != 1) //当时钟中断发生100次，并且my_need_sched不为1时，赋值为1
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}
void my_schedule(void)
{
tPCB * next; //下一进程
tPCB * prev; //当前进程
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 */ //下一个进程可运行，执行进程切换
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* 切换进程 */
asm volatile(
"pushl %%ebp
" /* save ebp */
"movl %%esp,%0
" /* save esp */
"movl %2,%%esp
" /* restore esp */
"movl $1f,%1
" /* save eip */
"pushl %3
"
"ret
" /* restore eip */
"1: " /* next process start here */
"popl %%ebp
"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
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
" /* save ebp */
"movl %%esp,%0
" /* save esp */
"movl %2,%%esp
" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp
" /* restore ebp */
"movl $1f,%1
" /* save eip */
"pushl %3
"
"ret
" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
myinterrupt.c包含my_timer_handler和my_schedule两个函数。 my_timer_handler每隔100次将my_need_sched赋值为1，等待mymain.c中my_process函数的主动调度。my_schedule保存恢复进程上下文。
切换进程的分析：
01 "pushl %%ebp
保存当前ebp到堆栈中
02 "movl %%esp,%0
" 保存当前ESP到当前进程sp中
03 "movl %2,%%esp
" esp指向下一个进程
04 "movl $1f,%1
" 将1f存储到thread.ip中，$1f是标号“1: ”处,再次调度到该进程时就会从1:开始执行
05 "pushl %3
" 将下一个进程的ip入栈
06 "ret
" eip指向下一个进程的起始地址，也做了一次出栈操作
07 "1: " 标号1:，即next进程开始执行的位置
08 "popl %%ebp
" 待下一个进程执行完后释放栈空间，恢复现场
09 : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) %0、%1分别对应，m代表内存变量
10 : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) %2、%3分别对应
遇到的问题
- 实验中修改代码后，make找不到文件。
解决：修改代码是在/mykernel目录下进行修改的，make编译内核需要在LinuxKernel/linux-3.9.4目录下进行，修改完之后要cd ..。 - 不懂myinterrupt.c文件中
my_timer_handler函数在哪调用。
解决：仔细看了书上的35页，在实验环境中已经配置好了一个时钟中断，在时钟中断发生的时候就会调用一次该函数。 - 不懂
$1f的含义。
解决：查阅资料得知，"movl $1f,%1 "是将进程原来的ip替换为$1f，是at&t的一种语法，f代表向后跳转（b表示向前，f表示向后），1f指的就是下一条指令，即当前进程的eip。