基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

学号：282

原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

一、实验目的

基于mykernel，完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码并分析。

二、实验步骤

1. 环境搭建

环境为 Linux QEMU，实验楼网站中直接打开即可食用。

在实验楼终端中执行下列命令对内核进行打补丁操作

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm mykernel -rf
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

编译源码
```
make allnoconfig
make
```
编译成功后，使用QEMU工具来显示代码执行过程。内核成功启动！

2. 基于mykernel实现时间片轮询多道进程

通过上面的步骤，我们将孟宁老师GitHub上面myinterrput.c和mymain.c 替换掉mykernel中的文件，将mypcb.h移动到相同文件夹下。

git克隆源码

git clone https://github.com/mengning/mykernel.git

替换原代码
重新编译和运行

3. 源码分析

mypcb.h, 此头文件主要用于定义进程控制块

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   (unsigned long)1024*2  
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

typedef struct PCB{
    // 进程号
    int pid;
    // -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
    volatile long state;	
    // 进程堆栈
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    // CPU-specific state of this task 
    struct Thread thread;
    // 入口事件
    unsigned long	task_entry;
    // 下一个pcb块的位置
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);

由代码可知，mypcb.h主要通过结构体的方式定义了进程的基本信息：进程状态、进程id以及进程的堆栈信息等，其余信息已在注释中表明。

myinterrupt.c

/*
 *  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;	
}

由以上代码可知，myinterrupt.c主要实现两个函数：my_time_handler和my_schedule。

my_time_handler(), 每1000毫秒产生一个时钟中断，同时设置my_need_sched=1，mymain.c中的函数就会调用my_schedule()以执行进程切换的操作。
my_schedule()，用于进程的切换操作。
1. 声明next，pre指针执行下一个需要调度的进程和上一个进程
2. 判断下一个需要调度的进程的状态值，为0则切换
3. 通过汇编实现进程的切换。保存现场，将当前线程相关内容入栈，上一线程相关内容出栈，然后切换线程ip；

mymain.c,

/*
 *  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);
        }     
    }
}

mymain.c中，主要是进程的初始化并负责启动进程：

初始化一个进程。为其分配进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体等，并将其next指针指向自己。
初始化更多的进程。根据第一个进程的部分资源，包括内存拷贝函数的运用，将0号进程的信息进行了复制，修改pid等信息。
设置当前进程。因为是初始化，所以当前进程就决定给0号进程了，通过执行嵌入式汇编代码，开始执行mykernel内核。
my_process函数。每10000000次，打印当前进程的pid，全局变量my_need_sched，通过对my_need_sched进行判断，若为1，则通知正在执行的进程执行调度程序，然后打印调度后的进程pid。

三、实验总结

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
通过本次实验：

为什么要进行处理机调度？
在多道程序系统中，进程的数量往往多于处理机的个数，进程争用处理机的情况在所难免。处理机调度是对处理机进行分配，按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发执行。
什么时时间片轮转调度算法？
系统将所有就绪进程按到达时间的先后次序排成一个队列，进程调度总是选择就绪队列中的第一个进程执行，即先来先服务，但仅能运行一个时间片，如100ms。在使用完一个进程片后，即使进程还未完成，它也必须释放处理机给下一个就绪的进程，然会回到就绪队列的末尾重新排队。
操作系统（内核）是如何工作的？
- Linux是一个多进程的操作系统，所以，其他的进程必须等到正在运行的进程空闲CPU后才能运行。
- 进程是动态执行的实体，内核是进程的管理者。进程不但包括程序的指令和数据，而且包括程序计数器和CPU的所有寄存器以及存储临时数据的进程堆栈。
- 系统有一个进程控制表（process table），一个进程就是其中的一项。

posted @ 2019-03-12 11:40 孟海涛阅读(183) 评论(0) 编辑收藏举报

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