2020-2021-1 20209308《Linux内核原理与分析》第三周作业

Linux 基础

实验二

目录

• Linux 基础
  • 实验二
  • 一.实验过程
  • 二.实验代码分析
  • 三.遇到的问题

一.实验过程

1.执行原始内核程序

2.执行时间片轮转内核程序

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二.实验代码分析

1.代码过程
mypcb.h:

#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);

在mypcb.h中,定义了一个结构体Thread，其中有ip，sp两个变量。结构PCB是进程管理块，包括进程的标识符pid，进程状态state, stack,thread，入口函数task_entry，一个next指针。
pid：进程号
state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成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PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。

mymain.c:

#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].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] */
		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)
				{
					my_need_sched = 0;
					my_schedule();
				}
				printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
			}     
		}
	}

my_start_kernel函数：
1.初始化进程0，使pcb的指针指向进程0
2.初始化其余的进程
3.开始运行0号进程
（从第一个进程开始）
my_process函数：循环并输出语句以及切换进程。

myinterrupt.c

#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 = 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; 
}

my_time_handler函数：用于每1000毫秒产生一次中断，发生中断时，将my_need_sched = 1并输出语句，my_need_sched用于mymain.c中进程的切换。
1.初始化两个pcb结构next，prev
2.判断下一个进程的state状态，为0则切换到下一个进程。
3若不为0，执行新的进程。
以上函数实现了简单的时间片轮转算法，给每个进程分配一个时间片，时间片结束后运行下一个进程，而当进程在其所在时间片结束前就结束或者阻塞时，立即运行新的进程，这就是时间片轮转算法的原理。

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三.遇到的问题

• 进程的启动与切换机制：

  • 操作系统对进程的调度主要是通过控制块PCB，在内核启动时，init_start_kernel()函数生成若干进程，再初始化第一个进程，进入各自进程后再根据schedule函数判定进程的运行状态，并且根据此来调度进程，这个状态由timer_handler函数根据计时情况进行设置，一旦时间满足便产生中断，运行下一进程，如果下一个进程的状态不为可执行，那么将其设置为可执行状态准备接受调度，保存自己的当前执行环境并移至进程队列尾部并返回。然后0号进程调度进程队列中的可执行进程执行。

• 进程调度的时机:

  • 中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()；
  • 内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；
  • 用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。