学号351
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/
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mykernel简介
mykernel是由孟宁老师建立的一个用于开发您自己的操作系统内核的平台，基于Linux Kernel 3.9.4 source code mykernel的源代码 https://github.com/mengning/mykernel ，
你可以按照上面的指南部署到你的操作系统，也可以使用实验楼提供的虚拟机，该虚拟机上已经部署好这个平台，只需按照实验二的步骤即可运行这个平台框架。本文实验完成于实验楼。
具体操作：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
就可以在qemu上看到运行结果
如图：
可以看出：
>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<和>>>>>>>>>>>>>>>my_start_kernel here<<<<<<<<<<<<<<<<会无限循环输出。
接着查看mymian.c和myinterrupt.c文件
其中的my_start_kernel函数中有一个循环，不断输出my_start_kernel here
有一个会被时钟中断周期调用的函数my_timer_handler。在这个函数里，会输出类似>>>>>my_timer_handler here<<<<< 的字符串。
这两个函数的输出就是我们在窗口看到的内容，
当mykernel系统启动后，就会调用my_start_kernel函数（满足条件i%10000==0），周期性调用my_timer_handler函数
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实现一个简单的时间片轮转多道程序
接下来我们通过扩展my_start_kernel和my_timer_handler函数，模拟了一个基于时间片轮转的多道程序。
1，实验步骤：
（1）从实验用的源代码，https://github.com/mengning/mykernel通过git-clone命令下载到mykernel平台。主要就这三个文件：mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c
（2）回到LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹，使用下面的命令编译、运行
具体操作如下：
cd ../ #回到linux-3.9.4目录
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
2，运行结果如图：
3，源码分析
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 # unsigned long
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread { //用于保存erp,esp
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);
其中各个字段含义如下：
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。
my_schedule：函数声明，在my_interrupt.c中实现，在mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。
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，每个进程都有自己的堆栈，并指向下一个进程 */ 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]; } /* 从第0个进程开始 */ 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) //ny_need_sched=1时才会调度 { my_need_sched = 0; my_schedule(); } printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid); } } }
系统启动后，最先调用函数my_start_kernel，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的入口函数都是 my_process，在执行的时候，会打印出当前进程的 id。
另外，在 my_process 会检查一个全局标志变量 my_need_sched，一旦发现其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。
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) //设置时间片大小，时间片用完设置调度标志 { printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n"); my_need_sched = 1; } time_count ++ ; #endif return; } void my_schedule(void) { tPCB * next;把当前 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; //把当前进程的下一个进程赋值给next prev = my_current_task; if(next->state == 0)/* 下一个进程正在执行*/ { my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); /* switch to next process */ asm volatile( //切换进程 "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */ "movl %%esp,%0\n\t" /* 把当前进程的esp赋给prev->thread.sp，保存*/ "movl %2,%%esp\n\t" /* 把下一进程的next->thread.sp赋给esp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /*把下一进程的next->thread.ip进栈*/ "1:\t" /* 下一进程开始执行*/ "popl %%ebp\n\t" : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); } return; }
内核周期性调用my_timer_handler 函数，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，通知正在执行的进程执行调度程序my_schedule。在my_schedule函数中，完成进程的切换。
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总结
经过该次试验，我们对操作系统的进程调度机制和中断机制有了更新的认识，也对之前学的内容作了一次复习。Linux操作系统由内核来实现它的具体工作的，系统通过调用fork（）函数来创建的一个进程，他先是将先前CPU正在运行的进程的进程上下文保存在内核态堆栈中，包括有eip,esp,ebp,cs等寄存器的数据；然后加载创建的进程的上下文信息到相应的寄存器中，运行当前新建进程；运行完毕后根据系统的调度继续执行相应的进程。同时，操作系统以一种中断的机制实现与用户的交互。操作系统中的IDT描述好各个中断对应的处理程序，当发生相对应的中断时，由硬件来实现中断信号的传递，CPU接收到相应的IRQ信号后，由操作系统如调度进程那样调度相应的处理程序，来完成相应的中断请求，实现与用户的交互。
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