基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
一、实验内容
- 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
二、实验步骤
1.进行实验前配置，依次运行下面的指令
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) # 编译的时间比较久哦 sudo apt install qemu # install QEMU qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
这里我的ubuntu无法通过所有的指令，所以我对上面指令有所修改，第一条指令下载不了，我直接复
制了github上mykernel包的地址，下载了之后使用文件共享发送到虚拟机的。
不知道为什么，直接使用wget下载的patch包里面都是一些html代码，使用这个patch打补丁文件时，系统会提示
patc包里面都是垃圾，后面运行也不对。
第二条指令我的系统无法安装，并提示我使用下面指令：
sudo snap install axel
后面的命令就没有问题了，按照上面的命令运行之后结果如下：
三、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
3.1 首先进入mykernel文件夹，然后在mykernel目录下增加一个mypcb.h头文件，用来定义进程控制块。也就是进程结构体的定义，在Linux内核中是struct tast_struct结构体。
因为我们的内核是精简版的内核，所以对进程控制块做了删减，只保留了比较重要的数据结构。
struct Thread { unsigned long ip;//指令指针 unsigned long sp;//堆栈指针 }; typedef struct PCB{ int pid;//进程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;//指向下一个控制块的指针 }tPCB; void my_schedule(void);
3.2 创建mymain.c文件，对mymain.c进⾏修改，这⾥是mykernel内核代码的⼊⼝，负责初始化内核的各个组成部分。在Linux内核源代码中，实际的内核⼊⼝是init/main.c中的start_kernel(void)函数。
mymain.c里面void __init my_start_kernel(void)函数对内核进行初始化，首先初始化一个进程，然后fork出更多的进程，最后通过任务0启动0号进程。void my_process(void)函数主要是模拟进程运行，我们模拟的进程类似于时间片轮转的方式，我们将进程加到一个数的时间设置为一个时间片，当进程运行了一个时间片之后就会主动让出cpu，这里并没有采用中断方式实现进程切换，因为中断实现切换更复杂，需要考虑很多东西。
#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)//递增，模拟时间片 { 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); } } }
3.3 进程运⾏过程中是怎么知道时间⽚消耗完了呢？这就需要时钟中断处理过程中记录时间⽚。修改myinterrupt.c来模拟中断，
在myinterrupt.c中创建my_timer_handler()函数⽤来记录时间⽚，当进程等待时间到，进程就会打印一行信息，并且将自己的需要调度置1，表示进程需要调度。
后面创建了进程调度my_schedule()函数用来模拟进程调度，该函数首先检查进程是否可以调度，当进程调度条件满足后，就通过汇编代码进行进程切换。
#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; 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)//查看是否满足调度条件 { return; } printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n"); /* schedule */ next = my_current_task->next;//间接操作任务控制块，保证系统安全 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; }
到这里，我们的mykernel就编写结束了。
重新编译后运行结果如下图：
四、简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
4.1 内核核心功能
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
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时钟管理
实现计时功能 -
中断处理
负责实现中断机制 -
原语
是一种特殊的程序
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁 -
对系统资源进行管理的功能
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
4.2 运行工作机制
有的指令“人畜无害”。比如：加、减、乘、除 这些普通的运算指令。
有的指令有很高的权限。比如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样显然是很危险的。
为了解决这个问题，把指令分为特权指令和非特权指令
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两种指令
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特权指令：如内存清零指令（不允许用户程序使用）
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非特权指令：如普通运算指令
问题：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？
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两种处理器状态
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核心态(管态)：此时特权指令、非特权指令都可执行
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用户态(目态)：此时CPU只能执行非特权指令
两种处理器状态
用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如：0为用户态，1为核心态 -
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两种程序
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内核程序
操作系统的内核程序是系统的管理者，既可执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。 -
应用程序
为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。
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浙公网安备 33010602011771号