基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

1.构建并运行初始Linux系统内核

在Ubuntu的终端依次执行，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
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 # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

make编译成功后，可以看到如下输出：

启动成功后，可以在qemu窗口看到，如下输出打印信息。

 2.初始输出状态分析

此时的输出来自于，mymain.c和myinterrupt.c。

可以清楚地看到，my_start_kernel函数，会循环打印输出"my_start_kernel here %d"信息。

//mymain.c
void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            pr_notice("my_start_kernel here  %d \n",i);            
    }
}

my_timer_handler也会不断被时钟中断触发，而输出>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

//myinterrupt.c
void my_timer_handler(void)
{
    pr_notice("\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}

3.进程调度实现

1）添加pcb结构体

在mykernel路径下，创建一个mypcb.h文件。

具体代码以及各字段的含义如下，

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long        ip;  //指令指针
    unsigned long        sp;  //堆顶指针
};

typedef struct PCB{
    int pid; //进程id
    volatile long state;    /*进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];//进程关联的栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread; //进程持有的线程
    unsigned long    task_entry;  //进程执行任务入口
    struct PCB *next;   //指向下一个PCB的指针，所有PCB利用该指针形成一个循环单链表
}tPCB;

void my_schedule(void);

2)修改mymain.c的my_start_kernel函数

具体代码如下， 

#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);
        }     
    }
}

此时my_start_kernel执行的功能是，创建0号进程以及其他进程，并将CPU运行控制权交付给0号进程。

其中创建进程代码较为直接，因此不予分析。只看一下交付CPU运行控制权的相关代码，即39-46L的汇编。

第40行：将0号进程持有线程的初始栈顶地址存入RSP寄存器中，此后所有的push和pop操作都是针对进程0的栈进行操作。

第41行：将进程0的当前栈顶地址压入栈中，因为此时栈为空栈，所以相当于压入栈底地址。

第42-43行：将进程0的初始指令地址压入栈中，并利用ret指令，将栈顶的初始指定地址出栈并赋给rip寄存器。

经过这四条指令，就可以从进程0的初始指令地址开始执行。

3)修改myinterrupt.c的my_timer_handler函数并实现具体的my_schedule调度函数

具体代码如下，

/*
 * 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;    
}

其中my_timer_handler函数的功能为周期性将my_need_sched置为1，标志进程需要进程调度。实际的调度代码为my_schedule函数。

该函数执行的具体任务为保存当前进程（prev）的上下文，并调出下一个进程（next）的上下文。核心代码为36L开始的汇编。

37L：将当前进程的栈底指针压入栈中，保存其状态。

38L：将rsp寄存器的值保存到prev->thread.sp中

39L：将rsp寄存器的值更新为下一进程的栈顶地址，实现进程操作栈的切换。

40L：将43行指令地址保存到当前进程持有线程的指令地址中。指定该进程重新被调入时，开始执行指令的位置。

41-42L：将下一进程的ip地址入栈并ret，从而来更新rip寄存器的值。如果下一进程之前运行过，此时rip寄存器的值便是之前保存的43L地址。

43L：将下一进程之前被调出时在37L保存的栈底地址出栈，赋值给rbp寄存器。 

 4）运行结果