2019-2020-1 20199315《Linux内核原理与分析》第三周作业

《庖丁解牛Linux内核分析》第二章

• 计算机“三大法宝”
  • 存储程序计算机：将程序存放在计算机存储器中，然后按照存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序中编写好的指令执行，直至程序执行结束。
  • 函数调用堆栈：C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间。
  • 中断：计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
• 函数调用堆栈
  • 堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，堆栈具体的作用有：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供函数内部局部变量的存储空间等。
  • 堆栈相关的寄存器
    • ESP：堆栈指针
    • EBP：基址指针，在C语言中用作记录当前函数调用基质。
    • 堆栈空间是从高地址向低地址增长的。
  • 堆栈操作
    • push：栈顶地址减少4个字节（32位），并将操作数放入栈顶存储单元。
    • pop：栈顶地址增加4个字节（32位），并将栈顶存储单元的内容放入操作数。
  • 其他关键寄存器
    • CS:EIP总是指向下一条的指令地址
  • 程序用EAX寄存器来保存返回值。如果有多个返回值，EAX寄存器返回的是一个内存地址。
  • 函数体内的局部变量是通过堆栈来存储的。

• 内嵌汇编

asm volatile(                       /*__asm__是GCC关键字asm的宏定义，是内嵌汇编的关键字，表示这是一条内嵌汇编语句。__volatile__的宏定义，告诉编译器不要优化代码，汇编指令保留原样。*/
"movl $0,%%eax
	"          /* clear %eax to 0。将EAX清0 */
"addl %1,%%eax
	"          /* %eax+=val1。%1指下面的输出和输入的部分，此处是指val1，该句意为把val1的值放到ECX里面，然后把ECX的值与EAX寄存器求和放入EAX寄存器中。 */
"addl %2,%%eax
	"          /* %eax+=val2。该句意为把val2的值放到ECX里面，然后把ECX的值与EAX寄存器（val1的值）求和放入EAX寄存器中。*/
"movl %%eax,%0
	"         /* val2=%eax。把val1加上val2的值存储的地方放到%0，即val3。 */
: "=m" (val3)                        /* =m意思是写到内存变量里面去 */
: "c" (val1),"d" (val2)            /* c指用ECX寄存器存储val1的值 */
);

• 时钟中断
  • 当一个中断信号发生时，CPU把当前正在执行的程序的CS:EIP寄存器和ESP寄存器等都压到了一个叫内核堆栈的地方，然后把CS:EIP指向一个中断处理程序的入口，做保存现场的工作，之后执行其他程序，等重新回来时再恢复现场，恢复CS:EIP寄存器和ESP寄存器等，继续执行程序。

实验楼实验二

下载linux-3.9.4.tar.xz，并搭建虚拟的x86CPU实验平台。

$ sudo apt-get install qemu # install QEMU
$ sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
$ wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # download Linux Kernel 3.9.4 source code
$ wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch # download mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
$ xz -d linux-3.9.4.tar.xz
$ tar -xvf linux-3.9.4.tar
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4       /* 注意路径是区分大小的 */
$ rm -rf mykernel
$ patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
$ make allnoconfig
$ make             /* 编译内核请耐心等待 */
$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

在Linux-3.9.4内核源代码根目录下cd进入mykernel目录，可以看到QEMU窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c。

myinterrupt.c和mymain.c代码分别如下。

mykernel/mypcb.h：

   
/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4              /* 最大任务数定义为4 */
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 # unsigned long       /* 内核堆栈数目定义为1024*2 */
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {                             /* 定义线程结构体 */
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

typedef struct PCB{                           /* 定义进程控制块参数 */
    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);

mykernel/mymain.c

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#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)        /* 进入内核入口，对进程各参数进行初始化操作 */
{
    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++)       /* 复制进程信息，并将其加入进程列表尾部 */
    {
        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);
        }     
    }
}

mykernel/myinterrupt.c

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#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)     /* 时钟中断程序 */
{
#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;	
}

分析mymain.c中的内嵌汇编部分

asm volatile(                                /* %0表示参数thread.ip，%1表示参数thread.sp */
        "movl %1,%%esp
	"          /* 将task[pid].thread.sp移入ESP */
        "pushl %1
	"                      /* 将EBP入栈 */
        "pushl %0
	"                      /* 将task[pid].thread.ip入栈 */
        "ret
	"                                 /* 将task[pid].thread.ip返回赋入eip */
        "popl %%ebp
	"                 /* 将EDP压出栈 */
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)          /* 设置ECX和EDX存储不同参数 */
    );

分析myinterrupt.c中的内嵌汇编部分

asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"                   /* 将EBP入栈保存 */
            "movl %%esp,%0
	"              /* 把当前进程的esp赋给%0（thread.sp），保存当前进程的ESP到PCB */
            "movl %2,%%esp
	"              /* 将下一进程的栈顶地址存入ESP */
            "movl $1f,%1
	"                      /* 保存当前EIP寄存器值到PCB */
            "pushl %3
	"                           /* 把下一个进程代码入口地址入栈 */
            "ret
	"                                     /* 出栈进程的代码入口地址返回到EIP寄存器 */
            "1:	"                                         /* 标号1，即下一进程开始执行的位置 */
            "popl %%ebp
	"                     /* 恢复EBP寄存器的值 */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)           /* 将当前和下一个进程栈顶地址和IP地址存入内存寄存器中，并根据变量%0%1%2%3命名 */
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 

asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"               /* 保存当前进程EBP到堆栈 */
            "movl %%esp,%0
	"          /* 保存当前进程ESP到PCB */
            "movl %2,%%esp
	"           /* 将next进程的栈顶地址保存到ESP寄存器 */
            "movl %2,%%ebp
	"           /* 将next进程的堆栈基地址保存到EBP寄存器 */
            "movl $1f,%1
	"                  /* 将当前EIP寄存器值存到PCB，标号为1 */
            "pushl %3
	"                      /* 把下一个进程入口地址入栈 */
            "ret
	"                                 /* 将出栈进程的代码入口地址存到EIP寄存器 */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );

此为本人Linux学习第三周的内容，如有不足，还请批评指正，不胜感激。

以上