基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一、实验要求

1. 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；
2. 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；
3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制。

二、实验环境

　　ubuntu18.04，

三、实验步骤

　1、根据github：https://github.com/mengning/mykernel ，下载mykernel并编译，在终端依次执行下列命令即可。

 

　　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

　　

 　　执行完上述指令后，可以看到上面的结果，系统内核代码已经启动完成。

　　my_start_kernel进程周期性的调用my_handler_here方法，输出消息。

　　2、代码分析

　　　观察一下mymain.c和myinterrupt.c两个文件中的核心代码，

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

 1 void __init my_start_kernel(void)
 2 {
 3     int i = 0;
 4     while(1)
 5     {
 6         i++;
 7         if(i%100000 == 0)
 8             printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here  %d \n",i);
 9 
10     }
11 }

 

　其中有一个while循环，周期性的输出 my_start_kernel here，相当于一个时钟信号，判断条件是每循环到 i % 100000 == 0，操作系统从这里开始执行。

void my_timer_handler(void)
{
    printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}

　这段代码是用来处理时钟中断的，时钟中断是由linux内核完成，这段代码的主要功能就是将时钟中断进行处理。

　3.进程调度实现

　　　在mykernel路径下，创建一个mypcb.h文件

　　将mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c这三个文件拷贝到mykernel目录下，即要覆盖之前的mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增头文件mypcb.h

1. mypcb.h：进程控制块PCB结构体定义；
2. mymain.c：初始化各个进程并启动0号进程；
3. myinterrupt.c：时钟中断处理和进程调度算法

mypcb.h文件(具体代码以及各字段的含义如下)

 1 #define MAX_TASK_NUM        4
 2 #define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
 3 /* CPU-specific state of this task */
 4 struct Thread {
 5     unsigned long        ip;  //指令指针
 6     unsigned long        sp;  //堆顶指针
 7 };
 8 
 9 typedef struct PCB{
10     int pid; //进程id
11     volatile long state;    /*进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
12     unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];//进程关联的栈
13     /* CPU-specific state of this task */
14     struct Thread thread; //进程持有的线程
15     unsigned long    task_entry;  //进程执行任务入口
16     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
17 }tPCB;
18 
19 void my_schedule(void);>

 

上述代码主要就是做了三件事

• 定义Thread结构体用来指示堆栈指针和指令指针。
• 定义PCB，用来标识进程的相关信息，例如进程id, 进程可以申请堆栈大小，程序的入口，以及下一个进程。
• 声明调度函数，这个调度函数会在下面讲解。

mymain.c（具体代码以及各字段的含义如下）

修改mymain.c中的my_start_kernel函数，并在mymain.c中实现了my_process函数，用来作为进程的代码模拟一个个进程，时间片轮转调度

#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>


#include "mypcb.h"
/* 定义存储PCB的队列 */
tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL; /* 初始化一个PCB */
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);

/* 初始化一个0号进程，并进行相关处理 */
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);
        }     
    }
}

　　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中的start_kernel()函数，相当于零号进程，初始化后，会初始化一个进程链表，然后将CPU的控制权，交给零号进程），在mymain.c中添加一个my_process函数，用来作为一个进程的代码模拟一个进程。通过判断my_need_sched的值，来确定是否需要调度。当时间片耗尽，会主动调用一个my_schedule()的函数，来实现进程调度。my_timer_handler用来记录时间片。

myinterrupt.c（具体代码以及各字段的含义如下）

/*
 * 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;/* 我们进行进程调度时目的进程 */
    tPCB * prev;/* 用来指示正在运行的线程 */
/* 做一个判断，当当前进程为空的时候或者下一个进程为空的时候，当然不能进行调度  */
    if(my_current_task == NULL 
        || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    /* 用指针来指示两个进程 */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    /* 这里就用到了我们在PCB中的定义的状态，只有正确的状态才能进行进程切换 */
    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 */
        /* 这里就是进行进程调度的核心代码，孟宁老师在课上已经讲过多次，不再赘述 */
        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;    
}

 

　　该代码就是实现进程调度的核心代码，在asm volatile中，通过对，当前进程的ip，sp，以及下一个线程的ip, sp ,以及对寄存器的相关操作，实现对进程调度的控制。mykernel提供了时钟中断机制，周期性执行my_time_handler中断处理程序，该函数定时观察my_need_sched是否不等于1，如果是则将其置为1，使myprocess执行my_schedule()。my_schedule函数在PCB环形队中选择下一个进程进行执行，但对于处于不同状态的进程，调度方式略有不同，如果即将上CPU的进程之前已经运行过(即state为0)，我们保存当前进程的信息，然后把下一个进程的信息写入到寄存器中，执行ret使下一个进         程开始执行。之前没有在运行态的(state不为0)，我们先将其设置为运行态，我们这里需要初始化其ebp，因为该进程的堆栈是空栈esp=ebp。

重新make并运行mykernel

 

 四、实验总结

　　通过这次实验，让我加深了对Linux内核的理解，对线程的切换有了更加直接的认识，也更加深入的了解中断机制。