2020-2021-1 20209323 《linux内核原理与分析》第三周作业

操作系统是如何工作的

一、基础知识

1、计算机的三大法宝

1） 存储程序计算机：

　　冯·诺依曼和同事们依据此原理设计出了一个完整的现代计算机雏形，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存。并确定了存储程序计算机的五大组成部分：运算器，控制器，内存，输入和输出设备。它在体系结构上主要由以下特点：以运算单元为中心、采用存储程序原理、存储器按地址访问、线性编址空间、控制流由指令流产生、指令由操作码和地址码组成、数据以二进制进行编码。

2）堆栈机制：

　　堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，堆栈具体的作用有：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供函数内部局部变量的存储空间等。

3） 中断机制：

　　中断是CPU提供的允许其他模块打断处理器正常处理过程的机制。常见的中断类别有：程序中断、时钟中断、IO中断、硬件故障中断。

2、堆栈相关寄存器

1）ESP：堆栈指针（stack pointer）

2）EBP：基址指针（base pointer），在C语言中用作记录当前函数调用基址。

　　注意：对于x86体系结构来讲，堆栈空间是从高地址向低地址增长的。

　　相应的堆栈操作如下：

　　　　push：栈顶地址减少4个字节（32位），并将操作数放入栈顶存储单元。

　　　　pop：栈顶地址增加4个字节（32位），并将栈顶存储单元的内容放入操作数。

3）CS:EIP：总是指向下一条的指令地址。这里的CS寄存器，就是代码段寄存器和EIP总是指向下一条的指令地址。

• 顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令
• 跳转/分支：执行这样的指令，CS:EIP的值会根据程序需要被修改
• call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
• ret：从栈顶弹出原来保存在这里的CS:EIP的值，放入CS:EIP中

3、函数调用时使用到的堆栈框架

 

二、实验——在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核

1、使用实验楼的虚拟机打开shell

2、用make命令编译内核

3、cd mykernel 可以看到 qemu 窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c

mymain.c

void __init my_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)
{
    printf(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}

 4、运行结果

 

三、mykernel内核源代码分析

mypcb.h用来描述内核结构体：

 

struct Thread {
    unsigned long       ip;        //进程eip
    unsigned long       sp;        //进程esp
};

typedef struct PCB{
    int pid;                                //进程id
    volatile long state;                    //进程状态
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];          //进程堆栈
    struct Thread thread;                   //
    unsigned long   task_entry;             //进程的起始入口地址
    struct PCB *next;                       //指向下一个进程
}tPCB;

void my_schedule(void);                     //进行进程调度

 

mymain.c主要功能是让程序从0号进程开始运行，mymain.c的核心代码如下：

asm volatile(
//%0表示参数thread.ip，%1表示参数thread.sp。 
"movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp 把参数thread.sp放到esp中*/ 
"pushl %1\n\t"    /* push ebp 由于当前栈是空的，esp与ebp指向相同，所以等价于push ebp*/ 
"pushl %0\n\t"     /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t"     /* pop task[pid].thread.ip to eip */ 
"popl %%ebp\n\t" 
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)     /* input c or d mean %ecx/%edx*/ 
); 

 

myinterrupt.c主要功能是用于时钟中断处理和进程调度算法，myinterrupt.c的核心代码如下：

asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp 保存当前进程的ebp*/ 
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp 把当前进程的esp赋给%0（指的是thread.sp），即保存当前进程的esp*/
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp 把%2（指下一个进程的sp）放入esp中*/
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip $1f是接下来的标号“1：”的位置，把eip保存下来*/
"pushl %3\n\t" /*把下一个进程eip压栈*/ 
"ret\n\t" /* restore eip 下一个进程开始执行*/ 
"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)
);