基于mykernel完成多进程的简单内核

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学号末三位：168   

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实验要求：完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码，参考代码见mykernel版本库。

实验环境：实验楼中的虚拟机。

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 实验步骤：

一、首先使用实验楼的虚拟机打开shell，按照如下步骤运行

可以看到一个简单的kernel已经运行起来了，在一直不停的循环输出字符串。

二、进入mykernel文件夹，查看mymain.c和myinterrupt.c这两个文件的内容

由以上文件中注释可知，mymain.c文件用于执行进程，此处只是不停循环输出字符串，myinterrupt.c用来写时间片中断程序，此处只是不停的输出字符串。

三、从mykernel版本库中下载对应的mymain.c和myinterrupt.c文件覆盖当前目录下的两个文件，并下载进程结构体定义文件mypcb.c

使用maken重新编译后，重新运行程序查看输出。

由输出内容可知，目前已实现进程切换的功能。

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 代码分析：见注释

一、mypcb.h文件

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

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 # unsigned long
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {          //用于保存erp,esp
    unsigned long        ip;
    unsigned long        sp;
};

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;  //进程的入口
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);   //调度器

该文件为进程块的描述文件，定义了进程的最大执行数为4，进程结构体中有进程号、进程状态、下一进程的地址等信息。

二、myinterrupt.c文件

/*
 *  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)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)    //设置时间片大小，时间片用完时设置一下调度标志
    {
        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;   //把当前进程的下一进程赋给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 */    //保存当前进程的ebp
            "movl %%esp,%0
	"     /* save esp */     /把当前进程的esp赋给prev->thread.sp，保存
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */   //把下一进程的next->thread.sp赋给esp
            "movl $1f,%1
	"       /* save eip */    //保存eip
            "pushl %3
	"            //把下一进程的next->thread.ip进栈
            "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_timer_handler()函数周期性的向CPU发出中段请求，my_schedule()函数用于完成进程的上下文切换，其中嵌入的汇编代码段，用于保存进程切换时的相关信息，可用于进程中断之后的恢复。

三、mymain.c文件

/*
 *  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; //是否需要调度的标志

void my_process(void);


void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;  //初始化0号进程
    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++)    //创建更多的进程，每个进程有自己的堆栈，指向下一个进程
    {
        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 */   //%1指task[pid].thread.sp
        "pushl %1
	"             /* push ebp */
        "pushl %0
	"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret
	"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */    //ret之后0号进程正式启动
        : 
        : "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)      //循环10000000次，判断是否需要调度
        {
            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);
        }     
    }
}

mymain.c文件主要用于进程的初始化创建与启动，每个进程每执行10000000次且my_need_sched的值为1的时候就会调用my_schedule()函数，进行进程的切换。通过该种方法，实现了进程的时间片轮转调度。

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总结：操作系统一个非常重要的功能就是对进程的管理，对进程进行管理的算法有很多，包括时间片轮转调度算法、优先级调度算法、先来先服务调度算法等。本次实验实现的时间片轮转调度算法，主要的挑战是实现上下文的中断和进程的切换，处理方法在以上的mymain.c和myinterrupt.c文件中都有体现。