基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

本实验基于https://github.com/mengning/mykernel 实现。

一、虚拟一个x86-64的CPU硬件平台：

实验流程参见：https://github.com/mengning/mykernel

实验首先拦截linux内核的启动过程，来模拟程序执行的入口和周期性的产生时钟中断。

实验的目录结构为：

其中使用 make defconfig 生成64位x86的配置文件，再使用 make 编译共耗时约21分钟，产出为 arch/x86/boot/bzImage 文件。

通过QEMU虚拟机加载编译好的linux内核，my_start_kernel和my_timer_handler无限交替执行。

分析：linux内核初始化执行到my_start_kernel()函数的时候，由于函数里面是while无限循环，所以每隔10万次计数的时间printk输出my_start_kernel here。由于cpu定时产生时钟中断，每次产生时钟中断都要调用时钟中断处理函数，时钟中断处理函数里又调用我们写的my_timer_handler()函数，所以周期性的输出my_timer_handler here。

 

二、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核：

修改mykernel目录下的mymain.c、myinterrupt.c、mypcb.h文件，基本参考https://github.com/mengning/mykernel 。

修改好文件后重新配置编译内核，并使用QEMU加载，结果如下图：

make defconfig
make
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

 

三、实验结果分析：

通过实验发现进程在进程0到进程3之间循环调度。进程切换的关键代码是一段嵌入式汇编，最有技巧性的地方是通过pushq %rip和ret指令来间接修改%rip的值，从而更改代码执行流，再配合%rsp和%rbp的修改切换进程的工作栈，从而达到切换进程的目的。具体代码细节课上讲的很详细，这里不再具体分析，仅给出一些思考。

首先理顺代码执行流程，先看看对linux内核源码都修改了什么：

1. 在使用命令 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch 时得到：

2. 查看 arch/x86/kernel/time.c 下的代码，在time_interrupt()函数内部调用自己编写的my_timer_handler()函数，在每次发生时钟中断时调用：

3. 查看 include/linux/timer.h 下的代码，这里是my_timer_handler()函数的声明：

 4. 查看 include/linux/start_kernel.h 下的代码，这里是my_start_kernel()函数的声明：

 

5. 查看 init/main.c 下的代码，在函数 asmlinkage __visible void __init start_kernel(void){} 下，start_kernel()函数在内核初始化时被调用，可以看到先执行自己编写的my_start_kernel()函数，再调用rest_init()函数：

仔细观察QEMU的输出发现每1秒切换1次进程。这是为什么呢？因为cpu每秒产生1000次时钟中断，而my_timer_handler()函数每调用1000次输出一次，并更改调度标记，紧接着执行进程调度，同时每一个调度执行的进程都在一直运行my_process()函数。

而cpu每秒产生1000次时钟中断的结论来自于如下代码：

 1. 在 linux-5.4.34/include/asm-generic/param.h 下有如下定义，其中HZ就是时钟中断的频率，此处利用了宏定义：

 2. 在 linux-5.4.34/arch/x86/configs/x86_64_defconfig 中对CONFIG_HZ默认配置为1000，即一秒产生1000次时钟中断：