基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
实验目的：
- 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
实验说明：
为了研究操作系统如何工作起来的，我们虚拟一个x86-64的CPU，然后使用Linux内核源代码把虚拟CPU配置好时钟中断和程序入口。
这次实验中我们用到的Linux内核是老师的mykernel，基于mykernel虚拟⼀个x86-64的CPU硬件平台模拟了时钟中断，每隔⼀段时间，发⽣⼀次时钟中断。但是这次实验我们要完成的是在mymain.c的基础上写一个进程调用的过程。
实验环境：
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' # 使用allnoconfig编译出来qemu无法加载启动，不知道为什么？有明白的告诉我，完整编译太慢了，消耗的资源也多。 make -j$(nproc) # 编译的时间比较久哦 sudo apt install qemu # install QEMU qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
按照上面的步骤一步步来，在执行了最后一条命令后，会弹出如下一个窗口，可以看到mymain.c的代码在不停的执行的同时，会有一个周期性的时钟中断信号来触发myinterrupt.c的代码。
分析内核代码：
既然要内核控制进程，那就要为进程设计一个数据结构来存储进程的信息，如下是PCB（进程控制块）的定义：
#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);
进程控制块中包含的信息有进程的id，状态，函数调用栈，代码入口，一个结构体来存放sp（栈顶），ip（指令寄存器）信息，还有一个next指针来指定下一个进程，利用这个指针把进程连成链表，容易管理。
接着分析mykernel内核代码如何在my_start_kernel中处理PCB的：
#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]; # 栈顶在
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，这里是为了配合ret的执行，因为我们无法直接修改rip的值，只能依靠ret命令来对rip赋值 */
"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);
}
}
}
首先初始化了0号进程，并且把该进程的要执行的代码入口设置为函数my_process()，这里要注意task[pid].thread.ip，这个值之后会被放到指令寄存器中，从而开始运行内核代码。此后又fork了4个进程，使用memcpy函数，直接将0号进程中存储的数据赋给这4个进程，随后覆盖掉进程号和sp的值，再利用一个trick将这几个进程连成链表。内嵌的汇编代码的作用是：
- 把存放在PCB中的sp值赋给rsp寄存器
- 把sp值入栈
- ip值入栈
- 利用ret，把上面的ip值弹出到rip寄存器中
- 开始执行my_process()
这里的my_process()中有个判断my_need_sched值的判断，我看没有在这份代码中找到修改这个值的地方，这时要想到之前说过的时钟中断，接着我们来看my_interrupt.c这份代码。
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;
}
在文章开始的地方提过my_timer_hander()会在时钟中断时执行，我们在时钟中断的时候将my_need_sched值赋为1，在my_process()中判断条件为真后，执行了my_schedule()进程切换函数。这里的内嵌汇编代码的作用为：
- 保存前一个进程rbp的值到前一个进程的堆栈中
- 把前一个进程的rsp的值存到该进程的PCB中
- 从后一个进程的PCB中取出rsp的值赋给rsp寄存器，意味着此时的堆栈已经换成了后一个进程的了
- 使用魔法数字把此时rip寄存器中的值存到前一个进程的PCB中
- 从后一个进程的PCB中取出rip的值存到栈中
- 利用ret，把上面rip的值赋给rip寄存器
- 后一个进程开始执行
- 把后一个进程的堆栈中存放的后一个进程rbp的值弹出到rbp寄存器中
运行截图如下
