基于mykernel的一个简单的时间片轮转多道程序的内核代码分析
学号245。原创作品转载请注明出处 https://github.com/mengning/linuxkernel/。
本实验是基于孟宁老师的github https://github.com/mengning/linuxkernel/和实验楼http://www.shiyanlou.com/courses/195提供的虚拟机完成。
mykernel简介
mykernel是由孟老师建立的一个用于开发您自己的操作系统内核的平台，它基于Linux Kernel 3.9.4 source code。您可以在这里找到mykernel的源代码 https://github.com/mengning/mykernel 并按照上面的指南部署到您的系统上。您也可以使用实验楼http://www.shiyanlou.com/courses/195课程提供的虚拟机，按照里面实验二的步骤即可找到并运行这个平台框架。本文的实验就是在实验楼完成的。
打开终端，按照左侧的文档：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
patch -p1 < …/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
这里可以看到一个操作系统启动完成，并且一直运行输出my_timer_handler here<<<<<<<<<<。
这是一个简易的程序，源码可以在mykernel中找到。
cd mykernel，可以看到两个文件mymain.c和myinterrupt.c。
mymain.c
void _initmy_start_kernel(void)
{
int i = 0;
while (1)
{
i++;
if (i%100000 == 0)
printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here %d/n", i);
}
}
myinterrupt.c
void my_timer_handler(void)
{
printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}
这里我们发现系统启动完成后会调用_initmy_start_kernel方法和my_time_handler方法。我们只需要在上面编写我们的调度策略代码，就可以实现系统的时间片轮转了。
实验程序
这里参考孟宁老师的代码https://github.com/mengning/mykernel/。将代码git clone到本地之后，将mypcb.h、mymain.c、myinterrupt.c复制到之前的mykernel目录下面，将之前的代码覆盖，按照上节步骤重新编译并运行：
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
代码分析
mypcb.h
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 # unsigned long
/* 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);
这里是对进程的PCB的一些定义和my_schedule函数的声明。
MAX_TASK_NUM 代表最大进程数为4
KERNEL_STACK_SIZE 代表每个进程堆栈的大小
pid 进程的唯一标识符，用于区分进程
state 进程当前的状态，volatile修饰使编译器不要对其进行优化，保证每次都能从内存中直接获取此值。
stack[KERNEL_STACK_SIZE] 进程的堆栈
thread 进程的ip（指令指针）和sp（栈顶指针）
task_entry 进程的入口
next 指向下一个PCB
mymain.c
/*
* linux/mykernel/mymain.c
*
* Kernel internal my_start_kernel
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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(
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1\n\t" /* push ebp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
:
: "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);
}
}
}
程序初始化时候只有一个进程，之后其余的进程都是由第一个进程复制来的。程序从__init my_start_kernel开始运行，先初始化进程0pcb，然后通过循环初始化其他的进程，连成一个链表。asm volatile()部分是嵌入式汇编代码，通过对sp、ip寄存器的直接操作让相应的进程运行起来。
myinterrupt.c
/*
* linux/mykernel/myinterrupt.c
*
* Kernel internal my_timer_handler
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
#endif
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(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
"1:\t" /* next process start here */
"popl %%ebp\n\t"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
my_time_handler()函数定时地不断向cpu发出中断，从而实现了时间片轮转。设置变量my_need_sched为1表示当前需要执行，也就是执行mymain.c的my_process()部分。my_schedule将前一个进程的相关信息保存，并读入下一个进程的相关信息，从而完成进程的切换。
总结
这次实验通过一个简易的kernel实现了操作系统的基本功能，通过这次实验，我对进程的调度和中断有了更深的了解，对计算机系统有了更加深刻的认识。复杂的系统都是由简单模块组成的，如果看linux源码感到复杂，感觉无从下手，不妨从最简单的部分开始，一步步深入理解计算机系统。
