实验二：一个简单的时间片轮转多道程序内核代码分析

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钟晶晶

+ 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 

 

一.实验截图

 

二.代码分析

2.1 mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* 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 */
    char 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);

 

可知mypcb定义了如上的数据结构，同时声明了一个调度函数my_schedule().

 

2.2 mymain.c

 

#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 */

初始化循环体，初始一个单pcb循环链表

 

/*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];
    }

 扩充循环链表，使用memcpy将task[0]初始状态复制到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 */
        "popl %%ebp\n\t"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}   

初始化堆栈 ebp,esp,eip

 

 

 

 

 

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);
        }     
    }
}

 每隔10000000次判断是否需要调度

 

 2.3 Myinterrupt.c

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;      
}

my_timer_handler ：定期将my_need_sched置为1，以调用my_schedule()。

 

oid 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)
        ); 
     
    }

my_shedule();

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三.总结

操作系统是如何工作的：

操作系统是运行在相应的硬件平台上的一个特别程序，它的任务是实现任务（也就是进程）的创建、运行和调度；同时实现对运行在相应的平台的资源管理和分配，实现整个硬件和软件系统处于最优的工作状态。Linux操作系统由内核来实现它的具体工作的，一个进程是通过系统调用fork（）函数来创建的，他先是将先前CPU正在运行的进程的进程上下文保存在内核态堆栈中，包括有eip,esp,ebp,cs等寄存器的数据；然后加载创建的进程的上下文信息到相应的寄存器中，运行当前新建进程；运行完毕后根据系统的调度继续执行相应的进程。在这个过程中的执行流程是：SAVE_ALLà进建PID对应的task_structàrestore allàiret。而Linux操作系统是多进程的操作系统，不同的进程就是基于以上的方式有操作系统实现调度运行的。同时，操作系统以一种中断的机制实现与用户的交互。操作系统中的IDT描述好各个中断对应的处理程序，当发生相对应的中断时，由硬件来实现中断信号的传递，CPU接收到相应的IRQ信号后，由操作系统如调度进程那样调度相应的处理程序，来完成相应的中断请求，实现与用户的交互。整个操作系统就是如此实现。  

 

流程如下：

1. 将当前的用户态堆栈的esp. ebp指针保存在当前进程内核栈。
2. 执行save_all， 保存进程a 的各个寄存器的值到其内核中。
3. 进入中断处理程序
4. 操作系统调用schedule()函数来进行调度，进入进程b 的内核栈；
5. 执行RESTALL_ALL,恢复现场，恢复进程b 的寄存器的值；
6. 执行IRET,恢复EIP,ESP以及EFLAGS寄存器；
7. 系统从内核态返回用户态