基于mykernel2.0 编写一个操作系统内核
基于mykernel2.0 编写一个操作系统内核
一、实验要求
- 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、实验目的
- 理解Linux操作系统内核工作原理；
- 理解进程调度和中断机制
三、实验环境
VirtualBox + Ubuntu 18.04.1 LTS
四、实验步骤
1.下载mykernel并编译
在终端依次执行下述命令
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 gcc-multilib libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install qemu # install QEMU
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)
2.启动mykernel
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
在执行了该命令后，会弹出如下一个窗口：可以看到mymain.c的代码在不停的执行的同时，会有一个周期性的时钟中断信号来触发myinterrupt.c的代码。
打开mymain.c和myinterrupt.c两个源代码可以看到，mymain.c中每100000计数输出my_start_kernel here，myinterrupt.c每200000计数输出my_timer_handler here。当前有一个CPU执行C代码的上下文环境，同时具有中断处理程序的上下文环境，我们通过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。
void __init my_start_kernel(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%100000 == 0)
pr_notice("my_start_kernel here %d \n",i);
}
}
void my_timer_handler(void)
{
pr_notice("\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}
3. 编写一个操作系统内核
3.1定义进程控制块(PCB)
既然要内核控制进程，那就要为进程设计一个数据结构来存储进程的信息，如下是PCB（进程控制块）的定义：
mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2
/* 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);
-
可以看到进程拥有三种状态：unrunnable、runnable和stopped
-
每个进程都拥有自己的堆栈，并由ip、sp（对应eip寄存器和esp寄存器）进行控制
-
pcb块间以链表的形式串联起来
3.2修改mymain.c
修改mymain.c中的my_start_kernel函数，并在其中实现了my_process函数，作为进程的代码模拟一个个进程，时间片轮转调度。
/*
* linux/mykernel/mymain.c
* Kernel internal my_start_kernel
*/
#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);//模拟进程执行代码
void __init my_start_kernel(void)
{
int pid = 0;//0号进程
int i;
/* 初始化0号进程PCB信息*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
//任务入口地址，将my_process的地址赋给ip
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
//0号进程PCB堆栈栈顶地址赋给sp
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
//系统刚开始只有一个进程，下一个进程地址指向自身
task[pid].next = &task[pid];
/*fork more process */
//复制0号进程创建更多进程，并对它们赋值，插入队列
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] */
//启动0号任务，开始执行0号进程
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];//当前任务指针
/*下面这一段是进程执行的关键汇编代码,下文会对其进行详细分析
* %1指task[pid].thread.sp，%0指task[pid].thread.ip
*/
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;
//模拟进程执行过程，这⾥采⽤的是进程运⾏完⼀个时间⽚后主动让出CPU的⽅式。
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)//判断是否需要调度
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();//执行调度
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
void __init my_start_kernel(void)函数是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。
在my_process函数的while循环里面可见，会不断检测全局变量my_need_sched的值，当my_need_sched的值从0变成1的时候，就需要发生进程调度，全局变量my_need_sched重新置为0，执行my_schedule()函数进行进程切换。
3.3修改myinterrupt.c
/*
* 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)//设置时间片的大小，时间片用完则开始调度
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1;//设置进程调度标志
}
time_count ++ ;
return;
}
//调度函数
void my_schedule(void)
{
tPCB * next;//下一个进程指针
tPCB * prev;//当前进程指针
if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
/* schedule */
next = my_current_task->next;//下一个进程
prev = my_current_task;//当前进程
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
my_current_task = next; //排队策略
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* 进程切换 */
//下面是进程切换的汇编代码，下文将进行详细分析
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 $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */
"pushq %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore rip of next */
"1:\t" /* next process start here */
"popq %%rbp\n\t"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
mykernel提供了时钟中断机制，周期性执行my_time_handler中断处理程序，该函数定时观察my_need_sched是否不等于1，如果是则将其置为1，使myprocess执行my_schedule()。
my_schedule函数在PCB环形队中选择下一个进程进行执行，但对于处于不同状态的进程，调度方式略有不同，如果即将上CPU的进程之前已经运行过(即state为0)，我们保存当前进程的信息，然后把下一个进程的信息写入到寄存器中，执行ret使下一个进程开始执行。
之前没有在运行态的(state不为0)，我们先将其设置为运行态，我们这里需要初始化其ebp，因为该进程的堆栈是空栈esp=ebp。
3.4再次编译、运行
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
五、实验总结
- mymain.c：
asm volatile(
"movq %1,%%rsp\n\t" /* 将进程原堆栈栈顶的地址存⼊RSP寄存器 */
"pushq %1\n\t" /* 将当前RBP寄存器值压栈 */
"pushq %0\n\t" /* 将当前进程的RIP压栈 */
"ret\n\t" /* ret命令正好可以让压栈的进程RIP保存到RIP寄存器中 */
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
movq %1,%%rsp 将RSP寄存器指向进程0的堆栈栈底，task[pid].thread.sp初始值即为进程0的堆栈栈底。
pushq %1 将当前RBP寄存器的值压栈，因为是空栈，所以RSP与RBP相同。这⾥简化起⻅，直接使⽤进程的堆栈栈顶的值task[pid].thread.sp，相应的RSP寄存器指向的位置也发⽣了变化，RSP = RSP - 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼀个64位的存储单元。
pushq %0 将当前进程的RIP（这⾥是初始化的值my_process(void)函数的位置）⼊栈，相应的RSP寄存器指向的位置也发⽣了变化，RSP = RSP - 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼆个64位的存储单元。
ret 将栈顶位置的task[0].thread.ip，也就是my_process(void)函数的地址放⼊RIP寄存器中，相应的RSP寄存器指向的位置也发⽣了变化，RSP = RSP + 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼀个64位的存储单元。
这样完成了进程0的启动，开始执⾏my_process(void)函数的代码。
- myinterrupt.c:
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)
);
pushq %%rbp 保存prev进程（本例中指进程0）当前RBP寄存器的值到prev进程的堆栈；
movq %%rsp,%0 保存prev进程（本例中指进程0）当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp，这时RSP寄存器指向进程的栈顶地址，实际上就是将prev进程的栈顶地址保存；%0、%1...指这段汇编代码下面输入输出部分的编号。
movq %2,%%rsp 将next进程的栈顶地址next->thread.sp放入RSP寄存器，完成了进程0和进程1的堆栈切换。
movq $1f,%1 保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip，这里$1f是指标号1,恢复进程后从此执行。
pushq %3 把即将执行的next进程的指令地址next->thread.ip入栈。
ret 就是将压入栈中的next->thread.ip放入rip寄存器，rip寄存器现在存储next进程的指令。
1: next进程开始执行的位置。
popq %%rbp 将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。
通过这次基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核的实验，让我了解了进程切换调度的过程，在进程切换调度过程中，需要先保存当前进程的执行环境和变量，然后加载需要调度的进程执行环境。在这个过程中，需要结合进程堆栈，esp堆栈栈顶指针寄存器，ebp堆栈栈底指针寄存器以及eip指令寄存器来共同完成。这对于之后学习中断将起到一个很好的铺垫作用。本次实验收获颇丰。
浙公网安备 33010602011771号