20189220 余超《Linux内核原理与分析》第三周作业

操作系统如何工作的

第二章的基础知识

• 计算机的三大法宝：存储程序计算机，函数调用堆栈机制，中断。
• 堆栈：堆栈是C语言程序运行时必须使用的几率函数条用路径和参数存储的空间，具体作用分为：记录函数条用的框架，传递函数参数，保存返回的地址，提供函数内部局部变量的存储空间等。
• esp：是栈指针，是cpu机制决定的，push、pop指令会自动调整esp的值。
• ebp：只是存取某时刻的esp，这个时刻就是进入一个函数内后，cpu会将esp的值赋给ebp，此时就可以通过ebp对栈进行操作，比如获取函数参数，局部变量等，实际上使用esp也可以。
• 因为esp在函数运行时会不断的变化，所以保存一个一进入某个函数的esp到ebp中会方便程序员访问参数和局部变量，而且还方便调试器分析函数调用过程中的堆栈情况。前面说了，这个ebp不是必须要有的，你非要使用esp来访问函数参数和局部变量也是可行的，只不过这样会麻烦一些。
• CS：EIP:总是指向下一条指令。
  
  顺序执行：总是执向地址连续的下一条指令
  
  跳转/分支：CS:EIP指向被调用函数的入口地址
  
  call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
  
  ret：从栈顶弹出来原来保存在这里的CS:EIP的值，放入CS:EIP中

内嵌汇编

• 语法：asm(

                   汇编语句模板：
                   输出部分 ：
                   输入部分 ：
                   破坏描述部分：
                                         );
  

即格式为asm(“statements”:output_regs:input_regs:clobbered_regs);

• 内嵌汇编关键词asm volatile的括号内部第一部分是汇编代码，这里的汇编代码和之前学习的汇编代码有一点点差异，体现在%转义符号。寄存器前面会多一个%的转义符号，有两个%；而%加一个数字这表示第二部分输出，第三部分输入以及第四部分破坏描述。

多道程序内核代码内核分析

我们完成内核调度的主要实现主要是靠三个文件完成：mypcb.h、mymain.c、myinterrupt.c。我们就对他们各自的代码做详细的分析：

mypcb.h:

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

• 这段代码主要用于定义进程控制块，也就是进程结构体的定义。struct Thread中定义了两个变量ip和sp，他们是分别用来存储eip和esp。而struct PCB是用来表示进程控制块的，pid表示进程的id,state表示进程的状态，-1表示该进程未运行，0表示正在运行，大于0则表示停止。数组stack[]表示进程堆栈，也表示为内核堆栈，还有就是线程thread以及任务的入口task_entry。还有就是*next连接下一个进程，即用链表把他们链接起来。最后还声明了一个调度器my_schedule。而且最大进程数量MAX_TASK_NUM=4。

mymain.c：

#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);
        }
    }
}

• 这段代码主要是介绍了内核的初始化和0号进程的启动，首先初始化了pid、state、task_entry、thread.ip、thread.sp等信息。进程的入口则是my_process，此时系统中只有0号进程，所以该进程的next还是先指向自己。然后用一个for循环也迅速初始化了其余的三个进程，当他们都处于未运行的状态，且都用链表连接起来的。my_current_task则是记录现在正在运行的进程，汇编代码则是启动0号进程。让esp指向0号进程栈顶(此时也是栈底).，因为是第一次执行，所以esp和ebp指向的是同一个地点。把当前thread.ip入栈,也就是my_process 入口地址。跳转到函数my_process. 除非 my_process 返回, 否则 “popl %%ebp\n\t” 永远不会执行。其中my_need_sched是用来控制调度的标志，在my_process的代码中我们可以看到每执行一千万次打印一次，如果my_need_sched等于1，则执行进程切换的函数my_schedule。

myinterrupt.c：

#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 */
    {
        /* 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)
        );
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
    }
    else
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(
            "pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
            "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */
            "pushl %3\n\t"
            "ret\n\t"               /* restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }
    return;
}

• 从这段代码中我们可以看到有两个中断函数：一个是时间中断处理函数my_timer_handler，再另一个就是调度处理函数my_schedule。在my_timer_handler的函数中，通过时钟计数发生1000次且my_need_sched的标志位不等于1就打印一次，并且将标志位重新置位成1，也即是设置时间片的大小，时间片用完了就重新设置一下时间片的调度标志。
• 实验结果截图：
  
  

下面重点分析一下两个正在运行的进程做切换的代码：

asm volatile(
            "pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp，保存当前进程的ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp，保存当前进程的esp到 prev->thread.sp*/
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp，读取下个进程的esp */
            "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp ，赋值ebp，使得esp=ebp*/
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip ，保存eip，即存储1编号出的指针运行地址到prev->thread.eip中*/
            "pushl %3\n\t"           /*压入下个进程的ip*/
            "ret\n\t"               /* restore  eip，运行下个进程 */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );

• 首先从这段代码中，我们要知道prev->thread.sp表示当前进程的esp值，在代码中为%0，prev->thread.ip表示当前进程的eip值，在代码中表示为%1，next->thread.sp表示下一个进程的esp值，代码里面表示为%2，next->thread.ip表示下一个进程的eip值，代码里面表示的是%3。
• 现在来分析进程切换的堆栈变化：
  
  1.初始状态如下：
  
  

2.执行第一条语句"pushl %%ebp\n\t"，将当前进程ebp入栈，esp减4，并且保存好此时进程栈底的底部，也即是保存现场。我们可以看到此时CPU中的SP=esp_1，PC_=eip_1；CPU 按照 PC 指针，到存储器去取指令代码，CPU 按照 SP 指针，到存储器存取地址或数据。

3.执行第二条语句"movl %%esp,%0\n\t" ，这条语句的意义是将当前进程的栈顶指针esp存入当前进程的 thread.sp中。

4.执行第三条语句"movl %2,%%esp\n\t"，%2代表的是下一个进程esp，也即是将下一个进程的esp的值赋值给当前的esp，栈顶指向了下一个进程的位置。此时CPU的SP=esp_2

5.执行第四条语句 "movl %2,%%ebp\n\t"，在这个地方下一个进程是第一次执行，下一个进程的栈是空栈，所以下一个进程的esp=ebp，也即是这里的%2代表的是将下一个进程的ebp赋值给当前的ebp，堆栈指针指向了下一个进程的位置

6.执行第五条语句 "movl $1f,%1\n\t" ，存储当前进程eip，即进程再一次运行会在此处继续

1. 执行第六条语句"pushl %3\n\t" ，%3代表的是下一个进程eip，也即是将next->thread.ip压栈
   
   

8.执行第七条语句"ret\n\t" ，将下一个进程中堆栈保存的next->thread.ip存到eip寄存器中

总结

• 操作系统首先初始化内核相关的进程，然后开始循环运行这些进程，进程间进行切换时，则利用内核堆栈所保存的每个进程的sp,ip即所对应的%esp,%eip寄存器中的值，对当前的进程的sp,ip即对应%esp,%eip寄存器的值进行保存(中断上下文)，并用下一个进程的sp,ip的值赋值给%esp,%eip寄存器（进程间切换)