一、实验准备
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
实验环境：
Ubuntu版本：ubuntu-18.04.4-desktop-amd64
因为原来自带的源太慢了，所以全部换成了阿里云的源。并从台湾大学的镜像下载Linux-5.4.34
二、配置及编译内核
在Ubuntu虚拟机中，依次>输入如下命令
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch sudo apt install axel axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz //这个镜像我无法访问 连接失败，换成了ntu的ftp镜像 xz -d linux-5.4.34.tar.xz tar -xvf linux-5.4.34.tar cd linux-5.4.34 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig' make -j$(nproc) sudo apt install qemu qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
依次是获取内核补丁->安装axel->下载并解压Linux内核->安装补丁->安装相应依赖库->内核编译->使用QEMU启动内核
QEMU启动后，窗口中可以看到my_start_kernel在不断的执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。因为是在mymain.c中执行while(1)不断地运行、输出，所以my_start_kernel会不断地输出。
三、编写内核
1、在mykernel目录下增加一个mypcb.h的头文件，用来定义进程控制块，即进程结构体。主要有进程号、进程状态、分配存储区、保存进程的现场、进程入口等变量。
pid:进程号
state:进程状态 -1就绪 0运行 >0即阻塞
stack:进程堆栈
thread:当前县城信息
task_entry:进程入口函数
next:指向下一个PCB，以链表形式存在
#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);
2、修改mymain.c程序，0号进程是手工创建的，所以需要一些汇编代码。
在mymain.c中添加my_process函数，作为进程的代码来模拟一个进程，本实验中采用进程用完一个时间片后主动让出CPU的调度方式。
#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\n\t" /* set task[pid].thread.sp to rsp */
"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*/
);
}
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);
}
}
}
3、在时钟中断过程中记录时间片，修改myinterrupt.c的my_timer_handler来记录时间片。
在myinterrupt.c中添加进程切换的代码my_schedule(void)，调度策略就是简单的排队等待调度，next=my_current_task->next就是进程调度，调度下一个进程。进程切换是那段汇编代码。
#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<<<\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;
}
4、重新编译运行内核，效果如下图
四、分析内核核心功能
操作系统的进程在执行过程中，时间片用完后，要先保存当前的进程上下文环境，下次进程被调度执行的时候再恢复。
此次实验模拟了一个具有时钟中断和C语言编译环境的硬件平台，mymain.c中的代码不断地模拟进程执行，同时借助中断处理程序的上下文环境，周期性产生时钟中断信号，触发myinterrupt.c中的程序，产生进程切换。
进程切换的主要实现方法是下面这段代码
asm volatile(
"pushq %%rbp\n\t" //将rbp寄存器的值保存在prev进程的堆顶
"movq %%rsp,%0\n\t" //将rsp寄存器的值保存在切换前进程的sp变量中 即将prev进程栈顶位置保存
"movq %2,%%rsp\n\t" //将切换后的进程，即next的栈顶指针sp放入rsp寄存器中，此时，堆栈已经发生切换，之后的操作都是在next进程中
"movq $1f,%1\n\t" //保存切换前进程的下一条指令到ip变量中，此时的prev进行的下一条指令就在1后面
"pushq %3\n\t" //将切换后进程的吓一跳指令地址ip压栈
"ret\n\t" //将栈顶的ip弹出到rip寄存器中
"1:\t"
"popq %%rbp\n\t" //将切换后进程的栈定的堆栈基地址弹出，存入rbp寄存器中
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
在myinterrupt.c中，my_timer_handler函数会被周期性调用，每调用一千次，就将全局变量my_need_sched的值改为1，当my_start_kernel中的while循环发现这个值变成1后，便会进行进程的调度，完成进程切换，如此往复，模拟进程的切换调度。
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