Linux操作系统分析 | 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

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。

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实验环境及配置

VMware® Workstation 15 Pro

Ubuntu 16.04.3 LTS

一、配置 mykernel 2.0

1、配置mykernel 2.0的开发环境

在Linux终端中依次输入以下命令：

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 gcc-multilib  libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install qemu 

命令、工具解释分析如下：

（1）wget    

    非交互式网络文件下载工具，用于下载软件或从远程服务器恢复备份到本地服务器。

    此处从指定github网站上下载 mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch到本地。

（2）axel

    多线程下载工具，可以进行批量下载。

    第2条命令是安装axel工具，第3条命令是打开20个连接下载linux-5.4.34.tar.xz到本地。

（3）xz

    xz命令用于解压“.xz”文件。

    此处观察到linux-5.4.34.tar.xz，因此使用xz命令将其解压到当前文件夹，得到linux-5.4.34.tar。

（4）tar

    tar命令用于将打包后的文件解包。

    对linux-5.4.31.tar解包后，得到linux-5.4.34文件夹。

    进入到该文件夹中，方便进入后续操作。

（5）patch

    patch命令用于修补文件，让用户利用修补文件的方式进行原始文件的修改、更新等。

    因此第7条命令是对第一步下载好的mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch文件进行更新。

（6）build-essential

    build-essential是一个包，里面开发包含很多开发必要的软件包。

    第8条命令是安装保证可以对mykernel 2.0的运行和操作所必要的包。

（7）qemu

    qemu是一个本身是一个强大的虚拟机，相当于是一个沙盒环境，可以运行自己编译的内核。

    第9条命令为安装该qemu工具。

2、对内核进行编译

在Linux终端中依次输入以下命令：

make defconfig 
make -j$(nproc)

命令解释分析如下：

（1）make defconfig

    生成内核编译，按照默认的i386_defconfig生成.config。

（2）make -j$(nproc)

    make命令后的-j参数可以加快编译速度。

编译完成后，结果如下：

3、启动qemu，在窗口中观察执行结果

在linux终端输入如下命令：

qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

执行结果如下：

qemu窗口输出的内容是由 linux-5.3.34内核源代码根目录下mykernel目录中的mymain.c和myinterrupt.c决定的。

 代码分析如下：

（1）mymain.c

    主要代码如下：

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

     当我们提供了一个虚拟的CPU执行C代码的上下文环境时，mymain.c中的代码就在不停的执行，即是不停地输出“my_start_kernel here i”。

（2）myinterrupt.c

    主要代码如下：

/*
 * Called by timer interrupt.
 */
void my_timer_handler(void)
{
    pr_notice("
>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

");
}

    同时我们也提供了一个中断处理程序的上下文环境，周期性地产生时钟中断信号，触发了myinterrupt.c中代码的执行，即不停的输出“my_time_handler here"。

二、基于 mykernel 2.0 编写一个操作系统内核——进程切换的实现

代码来自：https://github.com/mengning/mykernel

1、定义进程控制块（mypcb.h）

    在linux-5.4.34/mykernel目录中新增一个名为 mypcb.h 头文件，用于定义进程控制块（Processing Control Block，PCB）。

    进程控制块主要表示进程状态，操作系统根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理，PCB包含的信息主要包括：

• 进程id：用于区别进程
• 进程的状态：就绪、运行、挂起、停止
• 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器
• 描述虚拟地址空间的信息：主要是描述了虚拟地址和物理地址的对应关系
• 当前工作目录
• umask掩码：保护文件创建和修改的权限
• ……

    代码如下：

#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);

代码分析如下：

    结构体PCB定义了进程控制块中的各个信息：

变量名	含义	解释
pid	进程id	用于区分进程
state	进程状态	此处定义了三种状态，分别用-1、0、>0来表示 初始化值为-1，当被调度运行时，变为0，当被阻塞时，变为>0。
stack[]	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	指向下一个进程PCB的指针	所有进程的PCB以链表的形式存储

    结构体Thread用于存储函数入口指针ip和栈顶指针sp。

    函数my_schedule(void)是一个进程调度函数。

2、修改mymain.c

    mymain.c是mykernel内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。

    代码如下：

#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);
        }     
    }
}

    代码分析如下：

    __init my_start_kernel(void)：初始化多个进程并且启动0号进程

    myprocess(void)：模拟进程执行过程，此处采用的是时间片轮转方法进行进程的调度，即进程运行完一个时间片后主动让出CPU。

    

3、修改myingerrupt.c

    mykernel提供了时钟中断机制，即通过周期性地执行my_time_handler函数来中断处理程序，因此我们就对该函数进行修改来记录时间片，当时间片消耗完时就进行进程的切换。

    代码如下：

#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;    
}

    代码分析如下：

    my_schedule(void)函数：主要进行进程的切换。

4、执行结果

    执行以下代码重新编译linux内核，并启动qemu来展示修改后代码的执行结果：

make defconfig 
make -j$(nproc)
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

    执行结果如下所示：

    process0 - process3 分别进行切换。

三、操作系统内核核心功能及工作机制

1、操作系统内核核心功能

    内核是操作系统的核心部分，通常运行进程，并提供进程间的通信，主要管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统。

2、内核工作机制

    中断和系统调用

四、实验心得体会

    通过本次实验，我了解了计算机系统的基本工作原理，对操作系统的内核有了更加深入的认识，对进程上下文的切换原理和实现代码也有了一定的了解，为之后的Linux操作系统的学习也打下了一定的基础。