基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一、 实验要求

• 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；

• 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

• 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

二、实验步骤

　　2.1 配置mykernel 2.0

　　 2.1.1 wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch （这里wget未成功，显示拒绝连接，直接使用了群里的文件）

        2.1.2 sudo apt install axel        

        2.1.3 axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz

　　 2.1.4 xz -d linux-5.4.34.tar.xz

　　 2.1.5 tar -xvf linux-5.4.34.tar

　　 2.1.6 cd linux-5.4.34

　　 2.1.7 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch

　　　

        2.1.8 sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

　　 2.1.9 make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'

　　 2.1.10 make -j$(nproc)  （耗时较长）

　　 2.1.11 sudo apt install qemu

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

           

    在mykernel目录下可以看到mymain.c以及myinterrupt.c程序代码，如下图所示：

           

         

     可以看到，该程序在运行时不断计时，每当满100000时，打印出“my_start_kernel here”，同时有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，能够触发myinterrupt.c中的代码。

     在中断处理程序中，每隔一段时间输出“>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<”，与QEMU虚拟机中所示结果相同，模拟了一个具有时钟中断和C代码执行环境的硬件平台。

     2.2 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

      首先在mykernel目录下增加一个mypcb.h头文件，用来定义PCB（进程控制块），如图所示：

      

       该文件定义了进程号，进程状态码，使用的堆栈，线程信息，入口函数以及指向下一个pcb的指针，此外还定义了最大进程数和堆栈空间，封装了指令指针ip和堆栈指针sp在结构体Thread中。

       然后修改mymain.c文件：

#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);
        }     
    }
}

该文件中，__init my_start_kernel作为内核代码入口，从0号进程开始初始化pcb中的进程变量，再通过汇编代码完成进程的启动和切换。

my_process函数作为进程代码，模拟了一个简单的时间片的进程，每完成10000000次计数将my_need_sched置0，并重新调用my_schedule函数。

接下来修改myinterrupt.c文件：

#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;    

my_timer_handler用来记录时间片，每完成1000次计数，就进行进程切换。此外，在my_schedule中也增加了进程切换的代码。

执行：

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

     2.3简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

asm volatile(
        "movq %1,%%rsp
	"     
        "pushq %1
	"             
        "pushq %0
	"           
        "ret
	"                 
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    
    );

• RSP寄存器指向原堆栈的栈顶，%1指后面的task[pid].thread.sp
• 压栈当前进程RBP寄存器
• 压栈当前进程RIP寄存器，%0指task[pid]. thread.ip
• ret命令正好可以让压栈的进程RIP保存到RIP寄存器中

asm volatile(    
            "pushq %%rbp
	"         
            "movq %%rsp,%0
	"     
            "movq %2,%%rsp
	"     
            "movq $1f,%1
	"     
            "pushq %3
	" 
            "ret
	"               
            "1:	"            
            "popq %%rbp
	"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 

• pushq %%rbp     保存prev进程（进程0）当前RBP寄存器的值到堆栈
• movq %%rsp,%0 　 保存prev进程（进程0）当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp（%0）
• movq %2,%%rsp     将next进程的栈顶地址next->thread.sp放⼊RSP寄存器，完成了进程0和进程1的堆栈切换
• movq $1f,%1     保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip（%1），这⾥$1f是指标号1
• pushq %3      把即将执⾏的next进程的指令地址next->thread.ip（%3）⼊栈
• ret    将压⼊栈中的next->thread.ip放⼊RIP寄存器，程序jianjie直接使用RIP寄存器，通过ret间接改变
• 1:    一个地址，与上文$1f相对应
• popq %%rbp     将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中

3.总结

     本实验作为Linux学习过程中的第一个实验，通过编写一个简单的计算机操作系统内核，完成了基于时间片的进程轮换。进程在执⾏过程中，当时间⽚⽤完需要进⾏进程切换时，需要先保存当前的进程上下⽂环境，下次进程被调度执⾏时，需要恢复进程上下⽂环境，就这样通过虚拟化的进程概念实现了多道程序在同⼀个物理CPU上并发执⾏。同时也进一步加深了对汇编代码的理解，也为后续中断的学习打下了基础。