基于mykernel完成多进程的简单内核

学号351

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

• 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

• 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 = ;
 
void my_process(void);
 
void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = ;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = ;/* -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-];
    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=;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[],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-]);
        task[i].next = task[i-].next;
        task[i-].next = &task[i];
    }
    /* 从第0个进程开始 */
    pid = ;
    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 = ;
 
void my_process(void)
{
    while()
    {
        i++;
        if(i% == )
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == ) //ny_need_sched=1时才会调度
            {
                my_need_sched = ;
                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 = ;
 
/*
 * 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% ==  && my_need_sched != ) //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 = ;
    }
    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 == )/* 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。

• 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。