基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
一、实验环境
阿里云学生版 Ubuntu 16.04
二、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
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'
# 使用allnoconfig编译出来qemu无法加载启动，不知道为什么？有明白的告诉我，完整编译太慢了，消耗的资源也多。
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
三、结合详细代码简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
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);
mypcb.h 模拟真实内核中的进程控制块，基于这个角度，可以更好理解内容。
- Thread结构体模拟了进程，ip，sp是用于描述进程的相关状态；根据课程回忆，大概是sp标识线程栈底，ip标识下一条指令地址（不是十分确定）
- PCB结构体实现了简单的的进程控制块
- pid：进程的id号，用于标识进程
- state：继承的状态。-1阻塞，0就绪，>0停止
- stack：模拟一个进程所具有的栈空间，在开头定义为1024*2
- thread：进程中的线程
- task_entry:函数入口
- * next：指针，指向下一个PCB。说明PCB之间的组织结构是链表。
- my_schedule：方法签名？留待后用。
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 */
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);
}
}
}
my_start_kernel（）
- 初始化最开始的进程的相关信息，为最开始的进程控制块的的信息初始化值，作为时间片轮转的开始
- 以第一块PCB其实，不断初始化新的PCB，形成队列
- 在之后的汇编代码是启动0号PCB
my_process()
- 模拟每个进程的执行任务，用输出该进程的进程号代替实际的进程任务
- 进程间的切换采用时间片轮转机制，在my_need_sched =1时，进行轮转，并重置为0；
关键汇编代码分析
- movq %1,%%rsp ：%1，是sp。将sp的值赋给rsp寄存器中，相当于使rsp指向0号进程的栈底。
- pushq %1 ：因为是进程0初始化，所以空栈。此时，rbp=rsp。在压栈之后，rsp指向栈顶。
- pushq %0\n\t：0进程的ip值入栈。rsp指向它。
- ret\n\t：将栈顶，也就是0进程ip值返回，使ip进入rip寄存器中。rsp指向第一个单元。
- 三、四两步使用了tricky的方式，将ip值放入rip中，因为rip安全起见程序员接触不到，但是在这种情况下，可以对rip进行操作。
- 至此，rip，rsp都初始化为0进程的对应的值，my_process()可以启动。
myinterrupt.c
#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.
* 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;
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;
}
my_timer_handler()
- 相当于一个计时决策机制，当timer_count%1000==0且my_need_sched=0时，标识时间片到期，my_need_sched=1。
- 当mymain.c中观察到my_need_sched=1时，my_process(0调用my_schedule()执行线程调度。
my_schedule()
- 实际上执行进程调度的函数，通过汇编语言描述PCB链表中的进程切换。
关键汇编代码分析
- pushq %%rbp\n\t：保存当前进程的rbp寄存器中的值，放在当前进程的堆栈中
- movq %%rsp,%0\n\t：保存当前进程的rsp的值，放在pcb的sp中。实质是结合上一步，将当前进程的栈顶栈底地址保存起来。
- movq %2,%%rsp\n\t：将下一个进程的sp值从pcb中取出，放到rsp寄存器里。此时堆栈已经切换到了下一个进程
- movq $1f,%1\n\t：将当前进程的rip的值存入pcb中。 $1f是一个特殊符号，标号1.个人理解就是当前程序的下一条指令的地址
- pushq %3\n\t：下一进程的ip入栈。ip的具体值既有可能使进程最开始的起点，也有可能使标号1
- ret\n\t：结合上一步，使ip值进入rip。前有，不赘述。
- 1:\t：标号1是一个特殊的地址位置，该位置的地址是$1f
- popq %%rbp\n\t：将下一进程的堆栈基址从堆栈中取出，放入rbp中
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