基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
一、实验内容：
1、配置实验环境，完成Linux内核编译。
2、对系统源码进行修改，基于mykernel 2.0实现一个简单的操作系统内核。
3、简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制。
二、内核编译
1 .准备工作
为了节省资源下载时间，使用国内镜像源。
cd /etc/apt/ sudo cp sources.list sources.list.bk sudo gedit sources.list
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu bionic main multiverse restricted universe deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu bionic-updates main multiverse restricted universe deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu bionic-security main multiverse restricted universe deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu bionic-proposed main multiverse restricted universe deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu bionic-backports main multiverse restricted universe
2.安装axel
sudo apt install axel
可能因为github网络原因出现了连接失败的问题，在本地host文件做了映射
3.下载内核
sudo axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz xz -d linux-5.4.34.tar.xz tar -xvf linux-5.4.34.tar
4.编译内核
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev make defconfig make -j$(nproc)
开始编译
编译完成
5.安装qemu模拟器
此处QEMU用于模拟硬件设备，通过模拟一台独立运行操作系统的虚拟机，运行编译后的系统。
sudo apt install qemu # install QEMU qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
二. 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，用来定义进程控制块（Process Control Block），也就是进程结构体的定义。
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*/
//最大的任务数
#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;
}; //Thread 结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp
typedef struct PCB{
int pid; /* 进程号 */
volatile long state; /* 进程状态，-1表示就绪态，0表示运行态，大于0表示阻塞态*/
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //进程使用的堆栈
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread; //当前正在执行的线程信息
unsigned long task_entry; //进程入口函数
struct PCB *next;
}tPCB;
//调度函数
void my_schedule(void);
对mymain.c中的my_start_kernel函数进行修改，并在mymain.c中实现了my_process函数，用来作为进程的代码模拟一个个进程，时间片轮转调度。
#include "mypcb.h" tPCB task[MAX_TASK_NUM]; //进程队列 tPCB * my_current_task = NULL; //当前进程 volatile int my_need_sched = 0;//进程调度标志 void my_process(void); void __init my_start_kernel(void) { int pid = 0; int i; /* 初始化0号进程 */ task[pid].pid = pid; task[pid].state = 0;/* 0号进程运行 */ 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]; /*创建更多进程*/ for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++) { memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); task[i].pid = i; task[i].state = 0; 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\n\t" /* 将当前进程的栈顶指针sp值赋值给rsp寄存器中*/ "pushq %1\n\t" /* push rbp */ "pushq %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */ "ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to rip */ : : "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 -\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); } } }
对myinterrupt.c的修改，my_timer_handler用来记录时间片，时间片消耗完之后完成调度。并在该文件中完成，my_schedule(void)函数的实现。
#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. */ void my_timer_handler(void) //时间片处理函数 { if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) { printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n"); 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<<<\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( "pushq %%rbp\n\t" /* save rbp of prev */ "movq %%rsp,%0\n\t" /* save rsp of prev */ "movq %2,%%rsp\n\t" /* restore rsp of next */ "movq $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */ "pushq %3\n\t" "ret\n\t" /* restore rip of next */ "1:\t" /* next process start here */ "popq %%rbp\n\t" : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); } return; }
重新编译（linux 目录下make命令），再次运行，查看运行结果，可以看见进程的切换。
三. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
系统启动后，mymain.c中的my_start_kernel函数运行，里面是一个while(1) 循环，永远执行下去。
然后是myinterrupt.c，里面的my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，my_start_kernel中的while循环发现my_need_sched值变为1后，就进行进程的调度，完成进程的切换，如此往复。
