2018-2019-1 20189210 《Linux内核原理与分析》第三周作业
一、学习笔记
计算机的“三大法宝”
1、程序存储计算机。
2、函数调用对栈。堆栈的作用是：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值地址、提供函数内部局部变量的存储空间。函数调用堆栈就是由多个逻辑上的栈堆叠起来的框架。
3、中断机制。当一个中断信号发生时，CPU把当时正在执行的程序地CS：EIP寄存器和ESP寄存器等都压到了一个叫做内核堆栈的地方，然后把CS：EIP指向一个中断处理程序的入口，做保存现场的工作，之后执行其他程序，等重新回来时再恢复现场，恢复CS：EIP寄存器和ESP寄存器等，继续执行程序。
堆栈相关寄存器：
1、ESP：堆栈指针，指向堆栈栈顶。
2、EBP：基址指针，至此昂堆栈栈底，在C语言中记录当前函数调用基址
EIP寄存器：指向下一条指令的地址，一般为顺序执行，也会因指令而跳转执行。
函数调用堆栈框架：
call target //建立被调用者函数的堆栈框架
Push %ebp
Movl %esp, %ebp
被调用者函数体
//拆除堆栈框架
Movl %ebp, %esp
Pool %ebp
ret
函数调用堆栈框架的建立封装在enter中，拆除封装在leave中
C语言中内嵌汇编语言的写法
内嵌汇编的语法：
asm volatile (
汇编语句模版；
输出部分；
输入部分；
破坏描述部分；
）；
其中，asm 是GCC的关键字asm的宏定义，是内嵌汇编的关键字。
_volatile_是GCC的关键字，告诉编译器不要优化代码，汇编指令保留原样。
同时，%作为转义字符，寄存器前面会多一个转义符号
%加一个数字代表输入、输入和破坏描述的编号。
二、实验报告
在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核
1、在实验楼中按教程命令代码搭建平台
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make ＃编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行后可以看到一直在执行my_start_kernel here 代码。
进入mykernel目录，查看mymain.c 和 myinterrupt.c
从上图所示的代码中看出，mymain.c一直在循环输出“my_start_kernel here”这句代码，而myinterrupt.c中的my_timer_hardler函数将上述函数打断，而执行自己的代码。
将mykernel操作系统的代码进行扩展
1、添加mypcb.h头文件，用来定义进程控制块
2、修改mymain.c，作为内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分
3、修改myinterrupt.c，增加进程切换代码，模拟基于时间片轮转的多道程
序。
mypcb.h代码:
define MAX_TASK_NUM 4
define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0runnable, >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);
宏定义：进程的数目、进程堆栈的大小。
PCB结构体：定义了进程控制块PCB，包括：pid：进程号；state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0；stack：进程使用的堆栈；thread：当前正在执行的线程信息；task_entry：进程入口函数；next：指向下一个PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
mymain.c代码：
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);
}
}
}
其中void __init my_start_kernel(void)函数是负责初始化0号进程； for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)用于复制123号进程，并形成一个进程链表，每个进程都执行 my_process函数，在执行的时候会打印出当前进程的id号。
其中第一个进程即0号线程的启动，采用了内嵌汇编代码完成：
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*/
);
初始化0号进程的寄存器变化
启动0号进程，开始执行my_process(void)函数的代码。
myinterrupt.c代码如下：
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(next->state == 0) {
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t"
"movl %%esp,%0\n\t"
"movl %2,%%esp\n\t"
"movl $1f,%1\n\t"
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t"
"1:\t"
"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;
}
中断函数计数达到1000产生一个中断，将my_need_sched置1，此时my_process()将会调用进程的调度函数my_shcedule()。
在my_shcedule()有两种情况，一种是next->state == 0表示下一个要切换的进程可运行，执行if中的语句，除此之外则为要切换的进程为第一次执行，执行else中的语句。
堆栈地址分析正如课本庖丁解牛所讲解的那样。
总结：这周主要学习了进程的切换的操作原理。操作系统内核从一个起始位置开始执行，完成初始化操作后，开始执行第一个进程。计算机为每个进程分配一个时间片，时间片结束时需要切换进程，保存当前进程执行的上下文环境，执行完后再返回原进程执行，从而完成进程调度，并能实现多道程序的并发执行。在学习过程中遇到了几个难点：例如，$1f的作 用，”movl $1f,%1\n\t”是将进程原来的ip(my_process)替换为$1f,使得它被切换回来（运行状态）进入if，可从标号1：处继续执行。产生中断时会进行中断处理程序，记得计算机组成原理中讲述中断处理程序属于系统调用，它与进程切换程序的衔接还需进一步探究理解。
