基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
一、实验步骤及过程
1）下载Linux内核并进行配置、运行：
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch（这一步从群里下载直接复制过来即可） 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
2）模拟器运行结果如下：
就可以看到QEMU窗⼝输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c ，当前有⼀个虚拟的CPU执⾏C代码的上下⽂环境，可以看到mymain.c中的代码在不停地执⾏。同时有⼀个中断处理程序的上下⽂环境，周期性地产⽣的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码。这样就通过Linux内核代码模拟了⼀个具有时钟中断和C代码执⾏环境的硬件平台。
打开mykernel文件夹下的mymain.c以及myinterrupt.c文件，可以看到里面的代码有如下几段：
mymain.c中是一个死循环，不断输出"my_start_kernel here %d \n"，myinterrupt.c中则不断输出时钟中断"my_timer_handler here"。而根据之前qemu的运行结果，可以看出进程和时钟中断不断的交替运行。而我们要做的事情就是写一个自己的进程控制块以及进程调度算法，从而实现模拟多个进程调度运行。
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); } }
void my_timer_handler(void) { printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n"); }
3）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
a.首先在mykernel目录下增加一个mypcb.h 头文件，用来定义进程控制块（Process Control Block），也就是进程结构体的定义，在Linux内核中是struct tast_struct结构体
#define MAX_TASK_NUM 4 #define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8 //进程堆栈大小 /* CPU-specific state of this task */ struct Thread { //存储ip,sp unsigned long ip; unsigned long sp; }; typedef struct PCB{ int pid; //进程的id volatile long state; //表示进程的状态，-1表示就绪状态，0表示运行状态，1表示阻塞状态 char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //内核堆栈 /* CPU-specific state of this task */ struct Thread thread; unsigned long task_entry; //指定的进程入口，平时入口为main函数 struct PCB *next; //指向下一个进程控制块的指针，进程控制块间用链表连接 }tPCB; void my_schedule(void); //函数调度
b. 对mymain.c中的my_start_kernel函数进行修改，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 "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].state = -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( "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*/ ); } void my_process(void) { int i = 0; 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); } } }
c.对myinterrupt.c的修改，my_timer_handler用来记录时间片，时间片消耗完之后完成调度。并在该文件中完成，my_schedule(void)函数的实现:
#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. */ 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; }
4)重新编译（linux 目录下make命令），再次运行，查看运行结果，可以看见进程的切换
结果如下：
四。简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
系统工作机制简要分析：
系统启动后，首先运行mymain.c中的my_start_kernel函数，里面是一个while(1) 循环，永远执行下去。
然后是myinterrupt.c，里面的my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，my_start_kernel中的while循环发现my_need_sched值变为1后，就进行进程的调度，完成进程的切换，如此往复。
进程切换核心代码分析：
asm volatile( "pushq %%rbp\n\t" /* 1 save rbp of prev */ "movq %%rsp,%0\n\t" /* 2 save rsp of prev */ "movq %2,%%rsp\n\t" /* 3 restore rsp of next */ "movq $1f,%1\n\t" /* 4 save rip of prev */ "pushq %3\n\t" /* 5 save rip of next */ "ret\n\t" /* 6 restore rip of next */ "1:\t" /* 7 next process start here */ "popq %%rbp\n\t" /* 8 restore rbp of next */ : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); }
步骤1，2 保存了前一个进程的rbp和rsp，期中rbp保存在栈中，rsp保存在pcb.sp中
步骤3 更换了进程栈，原本rsp指向前一个进程的栈，步骤3后指向了后一个进程的栈
步骤4 将$1f 保存到了前一个线程的pcb.ip中（可以看做是保存当前进程的ip）
步骤5，6 修改当前rip寄存器的值，相当于原来rip的内容为前一个进程的指令地址，现在为后一个进程的指令地址
步骤7，8 将rbp寄存器的值修改为下一个进程的栈底
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