简单的时间片轮转多道程序内核代码
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作者：sa18225465
一、安装 Linux-3.9.4 Kernel
首先，需要下载 QEMU 虚拟操作系统模拟器，用于模拟我们的 kernel。
sudo apt-get install qemu
如果在使用 install 安装命令时，提示其他进程正在使用，可以使用 ps 和 grep 命令并用管道组合来得到含有 apt 或者 apt-get 的进程，并杀掉相应的进程即可。
为了方便操作，将刚才下载的 qemu-system-i386 文件在 /usr/bin 目录下建立一个同步的链接。
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
从 kernel 官网中下载 linux-3.9.4 版本的压缩包和补丁包，并解压缩（xz -d 表示解压完删除压缩包，tar -v 表示显示详细的过程）。
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xf linux-3.9.4.tar
忽略补丁中的路径的第一级目录打上补丁。
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
编译内核，这里由于 Ubantu 版本问题，需要用到 gcc7.h 版本的头文件，而查看 linux 文件夹下只有 gcc、gcc3、gcc4 三种头文件，这里可以在官网下载 gcc7 源码并找到相应的头文件，也可以偷懒的将 gcc4.h 复制一份重命名为 gcc7.h。
make allnoconfig
make
从qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
二、添加时间片轮转多道批处理功能
进入 mykernel 文件夹，可以看到 qemu 窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c。
mymain.c 中的代码如下：
myinterrupt.c 中的代码如下：
从添加时间片轮转多道程序的代码中下载 mymain.c、myinterrupt.c、mypcb.h 三个文件，替换虚拟机中原来的内核文件。
重新编译内核并运行 QEMU，可以看到内核成功引入了多道批处理功能，进程号在0~3之间不断循环。
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
三、代码分析
1. mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 10
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2
#define PRIORITY_MAX 30
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;//point to cpu run address
unsigned long sp;//point to the thread stack's top address
//todo add other attrubte of system thread
};
//PCB Struct
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;
//todo add other attrubte of process control block
}tPCB;
void my_schedule(void);
该头文件中定义了两个结构体和一个函数声明，其中Thread结构体是用来描述进程信息的。
其中ip表示当前指令执行的位置，sp表示栈顶位置。PCB结构体是用来描述进程控制块的，其中pid表示进程的标识符，state表示进程的状态，建立了一个进程堆栈空间stack，task_entrly表示任务的入口，next指针指向下一个PCB指针。
2.mymain.c
PCB 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].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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] */
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 */
:
: "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);
}
}
}
该 c 文件首部定义了一个进程数组、一个指向当前进程的指针，以及表示当前进程是否需要被调度的变量。然后定义了两个函数：my_start_kernel 和 my_process，分别表示内核被加载时的初始化过程和运行进程的函数。
2.1 __init my_start_kernel函数
函数首先初始化了一个pid = 0的内核中第一个进程，设置状态为 0，即 runnable。task_entry指向函数my_process()的地址，thread.sp指向stack[]栈顶，指针next指向栈中第一个元素，即自身 0 号进程。
接着，利用for循环再额外创建 最大进程数-1 个进程，并用循环链表链接起来。
最后，利用汇编代码将 0 号进程启动。
2.2 my_process函数
建立一个从 0 号进程开始不断运行的进程，并输出表明进程正在运行的语句。这里有一个 my_schedule()函数，这个函数将在myinterrupt.c中实现的，主要作用是切换进程。
3.myinterrupt.c
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 = 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 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)
);
}
return;
}
该文件首先定义了三个全局变量和一个计时器time_count，其次定义了两个函数：my_timer_handler和my_schedule，分别实现进程中断和进程切换功能。
3.1 my_timer_handler函数
进程中断函数中利用条件判断time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1，当时间片达到1000的整数倍时，将当前运行进程中断并打印。
3.2 my_schedule函数
进程切换程序是实现时间片轮转的主要函数，首先定义了两个PCB结构体，分别指向下一个和当前进程控制块，接着对下一个进程控制块的状态是0(runnable)，则通过汇编代码先保存现场，再实现进程的切换。
四、实验总结
操作系统在初始化时只有一个0号进程，之后的所有进程都由该进程fork而来，而进程的切换由时钟中断完成。通过修改一个简单的内核源码，增加一个时间片轮转功能，让我们更具体的体会到了操作系统底层的实现原理，对我们后续的学习会有很大的帮助。