2018-2019-1 20189203《Linux内核原理与分析》第三周作业
2018-10-24 22:10 20189203梓航 阅读(176) 评论(1) 编辑 收藏 举报一、课程学习
- 计算机的三个法宝:存储程序计算机、函数调用堆栈、中断。
- 堆栈相关的寄存器:ESP(堆栈指针)、EBP(基址指针)。
- 堆栈操作:push:栈顶地址减少4个字节,并将操作数放入栈顶存储单元。
- Pop:栈顶地址增加4个字节,并将栈顶存储单元的内容放入操作数。
对于X86体系结构来说,栈是从高地址向低地址增加的。 - 其他关键寄存器:CS:EIP总是指向下一条的指令地址,这里用到了CS寄存器,也就是代码寄存器和EIP总是指向下一条的指令地址。
- 用堆栈来传递函数的参数:对32位的X86CPU来说,通过堆栈来传递函数的方法是从右到左依次压栈。
- 内嵌汇编语言模板:asm volatile (
汇编语句模板:
输出部分:
输入部分:
破坏描述部分:
); - 中断:有了中断才有了多道程序,在没有中断的机制之前,计算机只能一个程序一个程序地执行,也就是批处理,而无法多个程序并发工作。有了中断机制的CPU帮我们做了一件事情,就是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。
二、实验
- 根据实验楼中实验二的作业要求,我做了如下操作:
- 首先使用实验楼的虚拟机打开shell,输入实验楼中的命令:
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
随后出现了一个内核启动程序,如图所示:
这个程序在不停的输出一些字符。关闭程序窗口,打开mykernel目录,查看目录下的文件,找到mymain.c文件和myinterrupt.c文件。
打开上述两个文件查看代码。
mymain.c代码如下:
Myinterrupt.c代码如下:
- 在上面的代码中可以看到,mymain.c中有一个循环在持续输出“my_start_kernel here”,myinterrupt.c中有一个循环在持续输出“my_timer_handler here”。由此可以得知,myinterrupt.c中可以完成中断程序调用。
下面对my_start_kernel和my_timer_handler函数进行修改,模拟基于时间片轮转的多道程序。三个文件mymain.c,myinterrupt.c,mypcb.h的代码如下:
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);
- 这段代码主要定义了进程控制块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);
}
}
}
- 这个函数 my_start_kernel是系统启动后,最先调用的函数,负责初始化内核的各个组成部分。在模拟系统里,每个进程的函数代码都是一样的,即 my_process函数,my_process函数在执行的时候会打印出当前进程的id号,方便我们知道是哪个进程在运行。而且在该函数中还定义了my need sched变量,若它的值为1,就调用my schedule()来完成进程的调度
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" /*将进程原堆栈栈顶的地址(这里是初始化的值)存入ESP寄存器 */
"pushl %1\n\t" /* 将当前EBP寄存器值入栈 */
"pushl %0\n\t" /* 将当前进程的EIP(这里是初始化的值)入栈*/
"ret\n\t" /* ret命令正好可以让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中*/
"popl %%ebp\n\t" /*这里永远不会被执行,知识与前面push指令结对出现,是一种编码习惯*/
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
- 由于开始栈为空,所以esp,ebp指向同一位置,之后esp,eip依次压栈,pop eip进程0开始启动,之后清空栈,指针esp,ebp又同时指向栈顶(也是栈底,空栈)。
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(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;
}
- myinterrupt.c包含my_timer_handler和my_schedule两个函数。 my_timer_handler每隔1000次将my_need_sched置1,调用进程的调度函数。my_schedule保存恢复进程上下文。
进行进程调度的关键代码:
if(next->state == 0)/* next->state==0对应进程next对应进程曾执行过 */
{
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" /* 保存 当前ebp到堆栈中 */
"movl %%esp,%0\n\t" /* 保存当前ESP到当前进程PCB中*/
"movl %2,%%esp\n\t" /* 将next进程的堆栈栈顶的值存到esp寄存器*/
"movl $1f,%1\n\t" /* 保存当前进程的EIP值 */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* 出栈标号1到EIP寄存器*/
"1:\t" /* 标号1,即next进程开始执行的位置*/
"popl %%ebp\n\t" /* 恢复EBP寄存器的值*/
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}