基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

实验准备(参考https://github.com/mengning/mykernel)

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

实验环境：

　　Ubuntu版本：ubuntu-18.04.4-desktop-amd64

配置mykernel 2.0

　　配置命令：

在ubuntu虚拟机中，打开终端，输入如下指令：

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 //解压
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 10 make -j$(nproc) 
sudo apt install qemu 12 qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

配置成功后结果如下，从qemu窗口中可以看到my_start_kernel在执行：

 

 

同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行，my_start_kernel是在mymain.c中循环运行的输出，因为是while(1)，它将不断运行输出。

编写内核

1.  首先在mykernel目录下增加一个mypcb.h头文件，用来定义进程控制块(Process Control Block)，也就是进程结构体的定义。

主要有进程号、进程状态、分配存储区、保存进程的现场、进程入口等。

#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);

 

2.  对mymain.c中的my_start_kernel函数进行修改，并在mymain.c中实现了my_process函数，用来作为进程的代码模拟一个个进程，时间片轮转调度。

#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)
{
    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);
        }     
    }
}

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.对myinterrupt.c的修改，my_timer_handler用来记录时间片，时间片消耗完之后完成调度。并在该文件中完成，my_schedule(void)函数的实现

#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
 */
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;    
}

4.重新编译运行内核后，效果如下图所示

 

简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

操作系统运行工作机制：操作系统中的进程在执⾏过程中，当进程的一个时间⽚⽤完操作系统需要进⾏进程切换时，需要先保存当前的进程上下⽂环境，下次进程被调度执⾏时，需要恢复进程上下⽂环境。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，mymain.c中的代码在不停地执⾏。同时有⼀个中断处理程序的上下⽂环境，周期性地产⽣的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码，产生进程切换。

 

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进程当前RBP寄存器的值到堆栈；

movq %%rsp,%0 ：保存prev进程当前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；

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。

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。rip寄存器程序员没有权限进行写入，需要多一个步骤

ret ：就是将压⼊栈中的next->thread.ip放⼊RIP寄存器，

1: 标号1是⼀个特殊的地址位置，该位置的地址是$1f。

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

自此，就完成了进程与进程的切换，其他两个相邻进程的切换过程也和这个相同。