基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一：实验要求

1. 按照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核心功能及运行工作机制

二：搭建实验环境

　　系统环境 aliyun Ubuntu 18.04.4

　　配置实验环境:终端依次输入命令

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 libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//编译
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage    //启动mykernel

第一步需要FQ，我直接从群里给的文件得到的。

运行结果如下：

my_timer_handler是时钟中断程序，每隔一定时间就会运行一次

 

 

 三：进行实验

1）在mypcb.h中定义线程和进程控制块的数据结构：

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long        ip;　　　　　　　　　　　　　　//定义进程中指令运行的位置的指针
    unsigned long        sp;　　　　　　　　　　　　　　//定义进程中堆栈指针
};

typedef struct PCB{
    int pid;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   //定义进程标识符
    volatile long state;    　　　　　　　　　　　　　  //定义进程状态
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; 　　　　 //为进程分配栈存储区
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;　　　　　　　　　　　　　　   //定义进程中的线程
    unsigned long    task_entry;　　　　　　　　　     //定义进程入口函数
    struct PCB *next;　　　　　　　　　　　　　　　　　　//指向下一个进程控制块的指针
}tPCB;

void my_schedule(void);

2）修改mymain.c

#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);

void __init my_start_kernel(void)　　//mykernel的入口函数，初始化0号进程以及启动0号进程
{
    int pid = 0;　　//初始化0号进程，也就是计算机运行的第一个进程
    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 0号进程作为父进程创建更多子进程，并通过next指针来进行连接*/
    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号进程*/
    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*/
    );
} 
//启动0号进程的过程是：先将0号进程的栈顶指针sp传送给rsp寄存器，再将0号进程的栈顶指针sp和指令指针ip压入栈中
//再将栈中的指令指针ip传送给rip寄存器
int i = 0;
//模拟进程调度，采用CPU时间片轮转调度算法的思想
void my_process(void)
{    
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%120000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "process %d starts\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)　　　　　　　　//进程切换的标志位，若my_need_sched==1则调用my_schedule()切换进程
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "process %d ends\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

3）修改myinterrupt.c

#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>

#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
 */
//对进程所已经占用的时间片进行统计，CPU产生时钟中断的时候会调用此函数,是time_count自增
//当time_count自增1000次后将my_need_sched标志位置为1，从而在mymain.c中调用my_schedule函数进行进程切换
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;      
}
//进行进程切换的函数
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 */
　　　　　//进行进程切换的过程：先将前一个进程（要交出CPU的进程）的rbp寄存器和rsp寄存器分别保存在栈中和前一个进程的sp中
　　　　　//再将后一个进程（准备占用CPU的进程)中的sp传送给rsp寄存器中
　　　　　//把前一个进程指令执行的位置保存到前一个进程中的线程的ip中
　　　　　//先将后一个进程的ip传送进栈中，再取出来传送到rip寄存器中
　　　　　//从堆栈中取出下一个进程的栈底保存到rbp寄存器中
        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）重新编译运行，得到结果：