20189220 余超《Linux内核原理与分析》第三周作业
操作系统如何工作的
第二章的基础知识
- 计算机的三大法宝：存储程序计算机，函数调用堆栈机制，中断。
- 堆栈：堆栈是C语言程序运行时必须使用的几率函数条用路径和参数存储的空间，具体作用分为：记录函数条用的框架，传递函数参数，保存返回的地址，提供函数内部局部变量的存储空间等。
- esp：是栈指针，是cpu机制决定的，push、pop指令会自动调整esp的值。
- ebp：只是存取某时刻的esp，这个时刻就是进入一个函数内后，cpu会将esp的值赋给ebp，此时就可以通过ebp对栈进行操作，比如获取函数参数，局部变量等，实际上使用esp也可以。
- 因为esp在函数运行时会不断的变化，所以保存一个一进入某个函数的esp到ebp中会方便程序员访问参数和局部变量，而且还方便调试器分析函数调用过程中的堆栈情况。前面说了，这个ebp不是必须要有的，你非要使用esp来访问函数参数和局部变量也是可行的，只不过这样会麻烦一些。
- CS：EIP:总是指向下一条指令。
顺序执行：总是执向地址连续的下一条指令
跳转/分支：CS:EIP指向被调用函数的入口地址
call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
ret：从栈顶弹出来原来保存在这里的CS:EIP的值，放入CS:EIP中
内嵌汇编
-
语法：asm(
汇编语句模板： 输出部分 ： 输入部分 ： 破坏描述部分： );
即格式为asm(“statements”:output_regs:input_regs:clobbered_regs);
- 内嵌汇编关键词asm volatile的括号内部第一部分是汇编代码，这里的汇编代码和之前学习的汇编代码有一点点差异，体现在%转义符号。寄存器前面会多一个%的转义符号，有两个%；而%加一个数字这表示第二部分输出，第三部分输入以及第四部分破坏描述。
多道程序内核代码内核分析
我们完成内核调度的主要实现主要是靠三个文件完成：mypcb.h、mymain.c、myinterrupt.c。我们就对他们各自的代码做详细的分析：
mypcb.h:
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 # unsigned long
/* 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)
- 这段代码主要用于定义进程控制块，也就是进程结构体的定义。struct Thread中定义了两个变量ip和sp，他们是分别用来存储eip和esp。而struct PCB是用来表示进程控制块的，pid表示进程的id,state表示进程的状态，-1表示该进程未运行，0表示正在运行，大于0则表示停止。数组stack[]表示进程堆栈，也表示为内核堆栈，还有就是线程thread以及任务的入口task_entry。还有就是*next连接下一个进程，即用链表把他们链接起来。最后还声明了一个调度器my_schedule。而且最大进程数量MAX_TASK_NUM=4。
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)
{
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].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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(
"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 */
:
: "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);
}
}
}
- 这段代码主要是介绍了内核的初始化和0号进程的启动，首先初始化了pid、state、task_entry、thread.ip、thread.sp等信息。进程的入口则是my_process，此时系统中只有0号进程，所以该进程的next还是先指向自己。然后用一个for循环也迅速初始化了其余的三个进程，当他们都处于未运行的状态，且都用链表连接起来的。my_current_task则是记录现在正在运行的进程，汇编代码则是启动0号进程。让esp指向0号进程栈顶(此时也是栈底).，因为是第一次执行，所以esp和ebp指向的是同一个地点。把当前thread.ip入栈,也就是my_process 入口地址。跳转到函数my_process. 除非 my_process 返回, 否则 “popl %%ebp\n\t” 永远不会执行。其中my_need_sched是用来控制调度的标志，在my_process的代码中我们可以看到每执行一千万次打印一次，如果my_need_sched等于1，则执行进程切换的函数my_schedule。
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
*/
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;
}
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 */
{
/* 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_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
}
else
{
next->state = 0;
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
- 从这段代码中我们可以看到有两个中断函数：一个是时间中断处理函数my_timer_handler，再另一个就是调度处理函数my_schedule。在my_timer_handler的函数中，通过时钟计数发生1000次且my_need_sched的标志位不等于1就打印一次，并且将标志位重新置位成1，也即是设置时间片的大小，时间片用完了就重新设置一下时间片的调度标志。
- 实验结果截图：
下面重点分析一下两个正在运行的进程做切换的代码：
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp，保存当前进程的ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp，保存当前进程的esp到 prev->thread.sp*/
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp，读取下个进程的esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp ，赋值ebp，使得esp=ebp*/
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip ，保存eip，即存储1编号出的指针运行地址到prev->thread.eip中*/
"pushl %3\n\t" /*压入下个进程的ip*/
"ret\n\t" /* restore eip，运行下个进程 */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
- 首先从这段代码中，我们要知道prev->thread.sp表示当前进程的esp值，在代码中为%0，prev->thread.ip表示当前进程的eip值，在代码中表示为%1，next->thread.sp表示下一个进程的esp值，代码里面表示为%2，next->thread.ip表示下一个进程的eip值，代码里面表示的是%3。
- 现在来分析进程切换的堆栈变化：
1.初始状态如下：
2.执行第一条语句"pushl %%ebp\n\t"，将当前进程ebp入栈，esp减4，并且保存好此时进程栈底的底部，也即是保存现场。我们可以看到此时CPU中的SP=esp_1，PC_=eip_1；CPU 按照 PC 指针，到存储器去取指令代码，CPU 按照 SP 指针，到存储器存取地址或数据。
3.执行第二条语句"movl %%esp,%0\n\t" ，这条语句的意义是将当前进程的栈顶指针esp存入当前进程的 thread.sp中。
4.执行第三条语句"movl %2,%%esp\n\t"，%2代表的是下一个进程esp，也即是将下一个进程的esp的值赋值给当前的esp，栈顶指向了下一个进程的位置。此时CPU的SP=esp_2
5.执行第四条语句 "movl %2,%%ebp\n\t"，在这个地方下一个进程是第一次执行，下一个进程的栈是空栈，所以下一个进程的esp=ebp，也即是这里的%2代表的是将下一个进程的ebp赋值给当前的ebp，堆栈指针指向了下一个进程的位置
6.执行第五条语句 "movl $1f,%1\n\t" ，存储当前进程eip，即进程再一次运行会在此处继续
- 执行第六条语句"pushl %3\n\t" ，%3代表的是下一个进程eip，也即是将next->thread.ip压栈
8.执行第七条语句"ret\n\t" ，将下一个进程中堆栈保存的next->thread.ip存到eip寄存器中
总结
- 操作系统首先初始化内核相关的进程，然后开始循环运行这些进程，进程间进行切换时，则利用内核堆栈所保存的每个进程的sp,ip即所对应的%esp,%eip寄存器中的值，对当前的进程的sp,ip即对应%esp,%eip寄存器的值进行保存(中断上下文)，并用下一个进程的sp,ip的值赋值给%esp,%eip寄存器（进程间切换)
