2020-2021-1 20209315《Linux内核原理与分析》第三周作业

一.mykernel实验指导（操作系统是如何工作的）

使用实验楼的虚拟机打开shell

然后 cd mykernel 可以看到 qemu 窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c

 内核不停的执行my_start_kernel()，每隔一段时间被my_timer_handler()中断，然后执行一条打印语句：

printk(KERN_NOTICE “ >>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<< ”)。

二. 完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

2.1.打开mykernel中的mymain.c文件：

根据https://github.com/mengning/mykernel上的mypcb.h、mymain.c、myinterrupt.c对kernel中的代码进行修改
修改代码后重新进行make编译，结果如下：

三. mykernel内核源代码分析

3.1 myinterrupt.c

1. /*
2.  
   * linux/mykernel/myinterrupt.c
3.  
   *
4.  
   * Kernel internal my_timer_handler
5.  
   *
6.  
   * Copyright (C) 2013 Mengning
7.  
   *
8.  
   */
9.  
   #include <linux/types.h>
10.  
    #include <linux/string.h>
11.  
    #include <linux/ctype.h>
12.  
    #include <linux/tty.h>
13.  
    #include <linux/vmalloc.h>
14.  
     
15.  
    #include "mypcb.h"
16.  
     
17.  
    extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
18.  
    extern tPCB * my_current_task;
19.  
    extern volatile int my_need_sched;
20.  
    volatile int time_count = 0;
21.  
     
22.  
    /*
23.  
    * Called by timer interrupt.
24.  
    * it runs in the name of current running process,
25.  
    * so it use kernel stack of current running process
26.  
    */
27.  
    void my_timer_handler(void)
28.  
    {
29.  
    #if 1
30.  
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
31.  
    {
32.  
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<< ");
33.  
    my_need_sched = 1;
34.  
    }
35.  
    time_count ++ ;
36.  
    #endif
37.  
    return;
38.  
    }
39.  
     
40.  
    void my_schedule(void)
41.  
    {
42.  
    tPCB * next;
43.  
    tPCB * prev;
44.  
     
45.  
    if(my_current_task == NULL
46.  
    || my_current_task->next == NULL)
47.  
    {
48.  
    return;
49.  
    }
50.  
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<< ");
51.  
    /* schedule */
52.  
    next = my_current_task->next;
    
53.  
    prev = my_current_task;
    
54.  
    if(next->state == 0)
    
55.  
    {
56.  
    /* switch to next process */
57.  
    asm volatile(
58.  
    "pushl %%ebp " /* 保存当前进程的ebp到自己的栈中。 save ebp */
59.  
    "movl %%esp,%0 " /* 保存当前进程的esp到自己的栈中。 save esp */
60.  
    "movl %2,%%esp " /* 从next->thread.sp中弹出下一个进程的esp。与第二句相对应。 restore esp */
61.  
    "movl $1f,%1 " /* 将下一个进程的eip设置为1f。$1f就是指标号1:的代码在内存中存储的地址 save eip */
62.  
    "pushl %3 " /* 将next->thread.ip压入当前进程的栈中。*/
63.  
    "ret " /* 从当前进程的栈中弹出刚刚压入的next->thread.ip。完成进程切换。 restore eip */
64.  
    "1: " /* 即$1f指向的位置。next process start here */
65.  
    "popl %%ebp " /* 切换到的进程把ebp从栈中弹出至ebp寄存器。与第一句相对应。*/
66.  
    : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
67.  
    : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
68.  
    );
69.  
    my_current_task = next; //当前进程切换为next
70.  
    printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<< ",prev->pid,next->pid);
71.  
    }
72.  
    else
    
73.  
    {
74.  
    next->state = 0;
    
75.  
    my_current_task = next;
76.  
    printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<< ",prev->pid,next->pid);
    
77.  
    /* switch to new process */
78.  
    asm volatile(
79.  
    "pushl %%ebp " /* save ebp */
80.  
    "movl %%esp,%0 " /* save esp */
81.  
    "movl %2,%%esp " /* restore esp */
82.  
    "movl %2,%%ebp " /* restore ebp */
83.  
    "movl $1f,%1 " /* 将要被切换出去的进程的ip设置为$1f。这样等一下它被切换回来时（一定是运行状态）肯定会进入if判断分支，可以从if中的标号1处继续执行。 save eip */
84.  
    "pushl %3 " /* 将next->thread.ip（因为它还没有被运行过，所以next->thread.ip现在仍处于初始状态，即指向my_process()，压入将要被切换出去的进程的堆栈。*/
85.  
    "ret " /* 将刚刚压入的next->thread.ip出栈至eip，完成进程切换。 restore eip */
86.  
    : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
87.  
    : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
88.  
    );
89.  
    }
90.  
    return;
91.  

3.2 mymain.c 

1. /*
2.  
   * linux/mykernel/mymain.c
3.  
   *
4.  
   * Kernel internal my_start_kernel
5.  
   *
6.  
   * Copyright (C) 2013 Mengning
7.  
   *
8.  
   */
9.  
   #include <linux/types.h>
10.  
    #include <linux/string.h>
11.  
    #include <linux/ctype.h>
12.  
    #include <linux/tty.h>
13.  
    #include <linux/vmalloc.h>
14.  
     
15.  
     
16.  
    #include "mypcb.h"
17.  
     
18.  
    tPCB task[MAX_TASK_NUM];
19.  
    tPCB * my_current_task = NULL;
20.  
    volatile int my_need_sched = 0;
21.  
     
22.  
    void my_process(void);
23.  
     
24.  
     
25.  
    void __init my_start_kernel(void)
26.  
    {
27.  
    int pid = 0;
28.  
    int i;
29.  
    /* Initialize process 0*/
30.  
    task[pid].pid = pid;//task[0].pid=0;
31.  
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
32.  
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;//令0号进程的入口地址为my_process();
33.  
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];//0号进程的栈顶为stack[]数组的最后一个元素
34.  
    task[pid].next = &task[pid];//next指针指向自己
35.  
    /*fork more process */
36.  
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)//根据0号进程，复制出几个只是编号不同的进程
37.  
    {
38.  
    memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));//void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);从源src所指的内存地址的起始位置开始拷贝n个字节到目标dest所指的内存地址的起始位置中。
39.  
    task[i].pid = i;
40.  
    task[i].state = -1;//这些进程的状态都设置为未运行。
41.  
    task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
42.  
    task[i].next = task[i-1].next;//新创建的进程的next指向0号进程的首地址
43.  
    task[i-1].next = &task[i];//前一个进程的next指向最新创建的进程的首地址，从而成为一个循环链表。
44.  
    }
45.  
    /* start process 0 by task[0] */
46.  
    pid = 0;
47.  
    my_current_task = &task[pid];//当前运行的进程设置为0号进程。
48.  
    asm volatile(
49.  
    "movl %1,%%esp " /* set task[pid].thread.sp to esp */
50.  
    "pushl %1 " /* push ebp */
51.  
    "pushl %0 " /* push task[pid].thread.ip */
52.  
    "ret " /* pop task[pid].thread.ip to eip */
53.  
    "popl %%ebp "
54.  
    :
55.  
    : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
56.  
    );
57.  
    }
58.  
    void my_process(void)
59.  
    {
60.  
    int i = 0;
61.  
    while(1)
62.  
    {
63.  
    i++;
64.  
    if(i%10000000 == 0)
65.  
    {
66.  
    printk(KERN_NOTICE "this is process %d - ",my_current_task->pid);//打印-号
67.  
    if(my_need_sched == 1)//如果需要调度
68.  
    {
69.  
    my_need_sched = 0;
70.  
    my_schedule();
71.  
    }
72.  
    printk(KERN_NOTICE "this is process %d + ",my_current_task->pid);//打印+号
73.  
    }
74.  
    }
75.  
    }

3.3 mypcb.h

1. /*
2.  
   * linux/mykernel/mypcb.h
3.  
   *
4.  
   * Kernel internal PCB types
5.  
   *
6.  
   * Copyright (C) 2013 Mengning
7.  
   *
8.  
   */
9.  
   #define MAX_TASK_NUM 4
   
10.  
    #define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
    
11.  
     
12.  
    /* CPU-specific state of this task */
13.  
    struct Thread {
14.  
    unsigned long ip;
    
15.  
    unsigned long sp;
    
16.  
    };
17.  
     
18.  
    typedef struct PCB{
19.  
    int pid;
    
20.  
    volatile long state;
    
21.  
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    
22.  
    /* CPU-specific state of this task */
23.  
    struct Thread thread;
    
24.  
    unsigned long task_entry;
    
25.  
    struct PCB *next;
    
26.  
    }tPCB;
27.  
     
28.  
    void my_schedule(void);

五. 分析进程的启动和进程的切换机制

      内核启动__init my_start_kernel(void)，创建了4个进程，分别是0,1,2,3号，设置0号为运行态，其它3个进程为未运行态。0号进程的入口都被初始化为task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;即指向my_process()。
      0号进程的栈顶被初始化为 task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];之后的进程也都是根据0号进程复制得到，所以它们的起始入口也是my_process()，初始栈顶也是指向了自己的stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
my_current_task = &task[pid];将当前进程设置为0号进程。然后从0号进程开始运行。
“movl %1,%%esp ”
      将0号进程的栈顶放入esp寄存器。
“pushl %1 ” /* push ebp */
      当前esp指向了stack数组的末尾，也就是栈顶，由于栈是空的，故有esp==ebp。
“pushl %0 " /* push task[pid].thread.ip */
“ret ” /* pop task[pid].thread.ip to eip */
     这里是切换到0号进程的入口地址开始执行。


     切换到0号进程后，0号进程不断执行my_process()。之后，my_timer_handler()被内核调用，触发中断，my_need_sched = 1;将全局变量my_need_sched 设置为了1。在程序当中，在0号进程执行到了if(my_need_sched == 1)语句时就会进入这个if条件分支中，执行my_schedule();执行进程调度。

     0号进程的next指针指向的是1号进程，所以在my_schedule()中的next指针指向了1号进程，prev指针指向了0号进程。
     由于1号进程还没被运行过，所以会执行else条件分支：next->state = 0;//将1号进程设置为运行状态。
my_current_task = next;//当前进程切换为1号进程


“pushl %%ebp ” /* save ebp */

 “movl %%esp,%0 ” /* save esp */

       将0号进程的ebp和esp都保存到0号进程的栈上。

1. “movl %2,%%esp ” /* restore esp */
2. “movl %2,%%ebp ” /* restore ebp */

      进程的切换情况大致上就是如上所述。

1.