基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一、配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译

1、实验环境：VMware 15 Pro，Ubuntu 18.04.4

2、配置环境

1）在电脑上先下载好以下两个文件，之后通过共享文件夹，将它们导入虚拟机。

2）在虚拟机中解压linux-5.4.34.tar.xz文件得到如下文件夹

3）进入该文件夹，打开终端，输入以下命令

patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev qemu
make defconfig 
make -j$(nproc) 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

上述命令的涵义是：配置mykernel、安装依赖包、编译、使用qemu运行mykernel

4)命令执行结果如下

5）此时，在Linux-5.3.34内核源代码根目录下进入mykernel目录，可以看到QEMU窗口输出内容的源代码mymain.c和myinterrupt.c，内容如下

/* mymain.c */

void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here  %d \n",i);
    }
}

/* myinterrupt.c */

void my_timer_handler(void)
{
    printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}

程序执行的内容是：mymain.c中的代码在不停地被CPU执行。同时程序能够触发myinterrupt.c中的代码，周期性地产生的时钟中断信号。

二、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

1、修改相关文件

1）在mykernel目录下添加mypcb.h文件，用于定义进程控制块，内容如下

2）修改mymain.c文件，添加my_process函数，用来模拟CPU执行的进程，内容如下

3）修改myinterrupt.c文件，修改my_timer_handler函数用来记录时间片，增加进程切换函数my_schedule(void)，内容如下

2、重新编译并运行

运行结果如下：

三、简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

1、mymain.c核心汇编代码分析

asm volatile(

"movq %1,%%rsp\n\t"

"pushq %1\n\t"

"pushq %0\n\t"

"ret\n\t"

:

: "c" (task[pid].thread.ip), "d" (task[pid].thread.sp)

);

分析：1) 将进程原堆栈的栈顶地址存入RSP寄存器，而task[pid].thread.sp初始值即为进程0的堆栈栈顶；

2) 将当前RBP寄存器的值压栈，因为是空栈，所以RSP与RBP相同。此时，RSP = RSP - 8；

3) 将当前进程的RIP压栈，值为初始化的my_process(void)函数的位置，此时，RSP = RSP - 8；

4) 将栈顶位置的task[0].thread.ip，也就是my_process(void)函数的地址放入RIP寄存器中。此时，RSP = RSP + 8；

5) 完成进程0的启动，执行my_process(void)函数。

2、myinterrupt.c核心代码分析

asm volatile(   
            "pushq %%rbp\n\t"         
            "movq %%rsp,%0\n\t"     
            "movq %2,%%rsp\n\t"     
            "movq $1f,%1\n\t"          
            "pushq %3\n\t"
            "ret\n\t"                 
            "1:\t"                 
            "popq %%rbp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);

分析：1）将当前RBP寄存器的值压入到进程0的堆栈；

2）RSP寄存器指向进程的栈顶地址，即保存进程0的栈顶地址；而%0、%1是指汇编代码下面输入输出部分的编号；

3）将进程1的栈顶地址存入RSP寄存器，完成进程0和进程1的堆栈切换；

4）保存进程0当前RIP寄存器值，这里$1f是指标号1；

5）将进程1的指令地址入栈，这时的next->thread.ip，在第一次执行时为进程1的起点my_process(void)函数，其余的情况均为$1f；

6）将栈中的next->thread.ip放入RIP寄存器；

7）标号1是一个特殊的地址位置，该位置的地址是$1f；

8）将进程1堆栈的基地址从堆栈中弹出到RBP寄存器中；

9）开始进程1，若进程1执行的过程中发生了进程调度和进程切换，进程0被会重新调度执行。