基于mykernel完成多进程的简单内核
学号371
原创作品转载请注明出处 https://github.com/mengning/linuxkernel/
一、实验要求
1.完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
2.分析进程的启动和进程的切换机制
3.分析和理解操作系统是如何工作
二、实验环境
实验楼：https://www.shiyanlou.com/courses/195
三、实验过程
1.准备
首先在实验楼中的虚拟机中打开终端，并执行如下命令：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
当编译完成时，结果如下图所示。从图中可以看到Kernel：arch/x86/boot/bzImage is ready
接下来执行如下命令，会弹出qemu的界面，并一直输出>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here。
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
2.时间片轮转多道程序
1.用如下命令下载孟老师（https://github.com/mengning/mykernel）提供的代码。
git clone https://github.com/mengning/mykernel
2.LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹下的myinterrupt.c，mymain.c的主要代码如下图所示：
3.将下载好的mykernel中的myinterrupt.c，mymain.c和mypcb.h复制到LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹中替换原来的文件，并把mypcb.h中的源码#defin KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 # unsigned long中的# unsigned long删除，不然编译会出错。然后打开终端进行编译。命令如下：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
make allnoconfig
make
从图中的结果可以看出，进程进行切换了。
3.代码分析
a.mypcb.h 进程控制块PCB结构体定义。
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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);
该代码定义了最大进程数MAX_TASK_NUM和堆栈空间大小KERNEL_STACK_SIZE；还申明了了Thread 结构体和PCB结构体。
ip:指令指针
sp：堆栈指针
pid：进程号
state：进程状态，初始化值是-1，表示不可运行，0表示可运行，其他值表示停止
stack[KERNEL_STACK_SIZE]：进程使用的堆栈空间，其中KERNEL_STACK_SIZE定义了堆栈的大小
thread表示当前正在执行的线程信息，包含了ip和sp
task_entry：进程入口函数
next：PCB的指针，指向下一个进程的PCB。
b.mymain.c 初始化各个进程并启动0号进程
/*
* linux/mykernel/mymain.c
*
* Kernel internal my_start_kernel
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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);
}
}
}
my_start_kernel ：完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程的PCB
my_process ：打印出当前进程的 id
c.myinterrupt.c 时钟中断处理和进程调度算法
/*
* linux/mykernel/myinterrupt.c
*
* Kernel internal my_timer_handler
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#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 */
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* 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)
);
}
return;
}
my_time_handler：周期性地发出中断信号
my_schedule：用于进程切换
mykernel，它是提供初始化好的CPU从my_start_kernel开始执行，并提供了时钟中断机制周期性性执行my_time_handler中断处理程序，执行完后中断返回总是可以回到my_start_kernel中断的位置继续执行。以上是需要知道的前提知识 这点对于理解代码至关重要。 让我们首先从my_start_kernel函数开始分析。首先创建了一个tPCB类型链表 task，然后用了my_current_task指定当前进程。（tPCB内各个元素含义详见 mypcb.h）task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process; 中的myprocess需要知道代表的是函数内存地址。 for循环并不是很难，也就是通过memcpy()把task[0]进程复制到各个进程 进程总个数由MAX_TASK_NUM决定。my_current_task = &task[pid];这句话和刚才一样，就不解释了。而mymain.c中的内嵌汇编也就是保存当前上下文。为后面进程切换做好准备。而myinterrupt.c是由time interrupt调用，所以我们在mymain.c中未见有调用myinterrupt.c的代码. 而其中的两段内联汇编仔细一看 也是一样的 所以也没有继续分析的必要 通过这个 我们就成功的实现了一个进程调度程序。
四、总结
从实验中，我理解到linux操作系统是如何工作的，了解到计算机是如何切换进程，保证计算机的性能了。
