基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一 实验要求

1. 根据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的核心功能及运行工作机制。

二 实验环境

    VMware Workstation 15.0 + 虚拟机Ubuntu 18.04.1 LTS

三 实验过程

 1 配置mykernel 2.0环境

1. 在Linux终端依次输入下列命令：

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

第一个文件下载执行时出现问题，我将群内mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch的文件复制到桌面，执行成功。

​

出现上面的窗口就代表环境配置成功了。

 

2 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

当1中的环境搭建好后，只需要在mymain.c的文件中完成进程描述和进程链表管理，在myinterrupt.c的文件中完成进程切换的代码就可以完成一个简易的OS kernel。

分析修改mypcb.h

/*最大的任务数*/
#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;//线程号
    volatile long state;        /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; 
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;  //当前执行的线程信息
    unsigned long       task_entry;  //入口函数
    struct PCB *next;//指向下一个PCB，系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
}tPCB;

　　

然后修改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);
        }
    }
}

　　

 

3 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

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)
        );

　　

（1）pushq %%rbp： 保存prev进程（本例中指进程0）当前RBP寄存器的值到堆栈；

（2）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；

（3）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。

（4）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。

（5）pushq %3 ：把即将执⾏的next进程的指令地址next->thread.ip⼊栈，这时的next->thread.ip可能是进程1的起点my_process(void)函数，也可能是$1f（标号1）。第⼀次被执⾏从头开始为进程1的起点my_process(void)函数，其余的情况均为$1f（标号1），因为next进程如果之前运⾏过那么它就⼀定曾经也作为prev进程被进程切换过。

（6）ret ：就是将压⼊栈中的next->thread.ip放⼊RIP寄存器，为什么不直接放⼊RIP寄存器呢？因为程序不能直接使⽤RIP寄存器，只能通过call、ret等指令间接改变RIP寄存器。

（7）popq %%rbp ：将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。