基于 mykernel 2.0 编写一个操作系统内核

基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

1. 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；
2. 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
3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

1. 配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译

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
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

环境使用vmware上64位的ubuntu18.04，由于国内apt的官方源下载速度较慢，可以使使用阿里云或者中科大的源替换。内核文件选用群里分享的已经下载好的。
我给了虚拟机4GB的RAM，内核编译还是用了40分钟。

 

 

 编译后运行正常，my_satrt_kernel 正常运行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。

 

my_start_kernel

 

 

 

 

 my_timer_hander

2. 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

　修改后后mykernel目录下代码目录如何，相比于源代码增加了mypcb.h，修改了myinterrupt.c 以及mymain.c。

 

 

 2.1 mypcb.h

 

/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*/


#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;
};


typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char 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);

 

 

mypcb.h中增加了定义进程控制块和thread的结构体，同时定义了最大任务数以及内核栈的大小。

pcb结构体中pid为进程识别号，state表示进程状态，-1为不能运行，0为可运行，大于0为停止状态。

task_entry表示入口函数，next指针指向下一个进程块。

定义最大任务数为4，和内核栈大小。

 

2.2 mymain.c

 

#include "mypcb.h"

 
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
#include <asm/smp.h>
#endif


tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);

 

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);
}
}
}

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].state = -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(
"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*/
);
}

 

代码中my_start_kernel是所有代码的入口，这里初始化了进程0，将进程0的入口设置为my_process。初始化进程1、2、3，将进程0、1、2、3连成一个环，并使系统开始运行进程0。

my_process主体是一个死循环，其中i累加，当i%10000000 == 0的时候，在终端中输出当前运行的进程，然后检查标志位my_need_sched，如果为1那么就是需要进行进程切换，这是就会将表示位设为0，然后调用my_schedule切换进程，然后输出当前运行的进程。

2.3  修改myinterrupt.c

 

#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)
{
pr_notice("\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}
*/

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;
}

my_timer_hadler每次被时钟中断触发，自增time_count。检查time_count，如果满足条件的同时，my_need_sched标志位不为1，那么就会将标志位置为1。

代码中my_schedule负责进程的切换过程，检查当前进程以及next进程是否为空，不为空后运行进程切换。

 

更改代码后最终运行效果。

 

3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

内核核心功能：进程管理、内存管理、I/O管理、文件管理、网络管理；
运行工作机制，本次实验主要集中在进程切换部分，采用计时来模拟任务运行结束，用4个任务循环运行来模拟不断的进程切换。