學號093 原創作品，轉載請註明出處。

本實驗資源來自 https://github.com/mengning/linuxkernel/

實驗目的

• 分析進程的啟動和進程的切換機制
• 理解操作系統是如何工作

實驗環境

• 實驗樓

實驗步驟

• cd LinuxKernel/linux-3.9.4
• rm -rf mykernel
• patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch #打補丁
• make allnoconfig
• make #編譯　　

• qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage #從qemu窗口中可以看到my_start_kernel在執行，同時my_timer_handler時鐘中斷處理程序周期性執行。

• cd mykernel #可以看到qemu窗口輸出的內容的代碼mymain.c和myinterrupt.c

　　至此，我們已經初始化好了系統環境。下面就讓我們開始編寫內核實現時間片輪轉多道程序。

內核分析

　　從孟寧老師的主頁上獲取源碼 https://github.com/mengning/mykernel

　　下載mymain.c ，myinterrupt.c 和 mypcb.h三個文件。

　　重新編譯。#重新編譯之前要make clean

mypcb.h　

#define MAX_TASK_NUM        4
#define
 
 KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 
/* 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 */
    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);

　　兩個宏定義，　　

　　　　MAX_TASK_NUM 4 定義了最大任務數

　　　　KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 定義了堆棧的內核大小

　　Thread結構體裏的ip用來存儲當前指令，sp用來存儲棧頂位置。

　　PCB結構體裏面存儲了進程的id，狀態，以及next指針，可以形成pcb鏈。

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)
{
    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\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
        "pushl %1\n\t"             /* push ebp */
        "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* 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 -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

　　首先是內核加載時候進行的初始化函數my_start_kernel

　　　　　該函數首先初始化了一個id為0的進程，狀態為可運行狀態，設置進程的入口地址為my_process函數的地址，thread.sp指向stack[]的尾地址，最後將next指向自己。

　　　　　接下來for循環創建了pid為1，2，3的三個進程。並且將這4個進程連在一起。

　　　　　接下來就是最重要的內嵌匯編代碼

asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
        "pushl %1\n\t"             /* push ebp */
        "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );

　　　　　　首先把第一個輸入賦給esp寄存器，即task[pid].thread.sp 的值給esp 。

　　　　　　然後 task[pid].thread.sp 壓棧，因為是空棧，esp的值和ebp的值相同。

　　　　　　接著 task[pid].thread.ip 壓棧

　　　　　　最後，把ip出棧賦值給eip

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)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        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<<<\n");
    /* 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<<<\n",prev->pid,next->pid);  
        /* switch to next process */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */ 
            "pushl %3\n\t" 
            "ret\n\t"               /* restore  eip */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
    }  
    return; 
}

　　　定義了兩個函數my_timer_handler()函數和my_schedule()函數

　　　　　　my_time_handler()就是時間為1000時將my_need_sched設置為1，這樣就可以使my_process函數調用my_schedule函數來切換進程。

　　　　　　讓我們看啊可能my_schedule函數中的內嵌匯編代碼

asm volatile(    
           "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
           "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
           "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
           "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
           "pushl %3\n\t" 
           "ret\n\t"                 /* restore  eip */
           "1:\t"                  /* next process start here */
           "popl %%ebp\n\t"
           : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
           : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
       ); 

　　　　首先明白一個概念，當 當前進程變為下一個進程時，那麽下一個進程就變成當前進程，當前進程變為下一個進程。就好似老師上課說的，再撿一個孩子也是不乖的。

　　　　理解這個概念後，匯編代碼就好理解了，保存下一條指令的地址，切換到另一個棧，然後執行，當切換回來時，把保存的指令彈出，這樣就可以做到進程之間的切換。

總結

　　　　操作系統是如何工作的？

• • • 存儲程序計算機
    • 函數調用堆棧
    • 中斷　　　　　　

　　　　通過實驗了解了匯編語言的基本指令，以及對計算機的進程切換有了大致了解。　

基於mykernel完成時間片輪轉多道程序內核