2018-2019-1 20189203《Linux内核原理与分析》第三周作业

一、课程学习

• 计算机的三个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈、中断。
• 堆栈相关的寄存器：ESP（堆栈指针）、EBP（基址指针）。
• 堆栈操作：push：栈顶地址减少4个字节，并将操作数放入栈顶存储单元。
• Pop：栈顶地址增加4个字节，并将栈顶存储单元的内容放入操作数。
  
  对于X86体系结构来说，栈是从高地址向低地址增加的。
• 其他关键寄存器：CS：EIP总是指向下一条的指令地址，这里用到了CS寄存器，也就是代码寄存器和EIP总是指向下一条的指令地址。
• 用堆栈来传递函数的参数：对32位的X86CPU来说，通过堆栈来传递函数的方法是从右到左依次压栈。
• 内嵌汇编语言模板：asm volatile （
  
  汇编语句模板：
  
  输出部分：
  
  输入部分：
  
  破坏描述部分：
  
  ）；
• 中断:有了中断才有了多道程序，在没有中断的机制之前，计算机只能一个程序一个程序地执行，也就是批处理，而无法多个程序并发工作。有了中断机制的CPU帮我们做了一件事情，就是当一个中断信号发生时，CPU把当时正在执行的程序地CS：EIP寄存器和ESP寄存器等都压到了一个叫做内核堆栈的地方，然后把CS：EIP指向一个中断处理程序的入口，做保存现场的工作，之后执行其他程序，等重新回来时再恢复现场，恢复CS：EIP寄存器和ESP寄存器等，继续执行程序。

二、实验

• 根据实验楼中实验二的作业要求，我做了如下操作：
• 首先使用实验楼的虚拟机打开shell，输入实验楼中的命令：

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make ＃编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

随后出现了一个内核启动程序，如图所示：



这个程序在不停的输出一些字符。关闭程序窗口，打开mykernel目录，查看目录下的文件，找到mymain.c文件和myinterrupt.c文件。



打开上述两个文件查看代码。

mymain.c代码如下：



Myinterrupt.c代码如下：

• 在上面的代码中可以看到，mymain.c中有一个循环在持续输出“my_start_kernel here”,myinterrupt.c中有一个循环在持续输出“my_timer_handler here”。由此可以得知，myinterrupt.c中可以完成中断程序调用。
  
  下面对my_start_kernel和my_timer_handler函数进行修改，模拟基于时间片轮转的多道程序。三个文件mymain.c，myinterrupt.c，mypcb.h的代码如下:
  
  mypcb.h代码:

#define MAX_TASK_NUM      4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long       ip;
unsigned long       sp;
};

typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0runnable, >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);

• 这段代码主要定义了进程控制块PCB，包括：
  
  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。

mymain.c代码：

#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);
    }
}
}

• 这个函数 my_start_kernel是系统启动后，最先调用的函数，负责初始化内核的各个组成部分。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process函数，my_process函数在执行的时候会打印出当前进程的id号，方便我们知道是哪个进程在运行。而且在该函数中还定义了my need sched变量，若它的值为1，就调用my schedule()来完成进程的调度
  
  0号线程的启动，采用了内嵌汇编代码完成：

asm volatile(
    "movl %1,%%esp\n\t"     /*将进程原堆栈栈顶的地址（这里是初始化的值）存入ESP寄存器 */
    "pushl %1\n\t"          /* 将当前EBP寄存器值入栈 */
    "pushl %0\n\t"          /* 将当前进程的EIP（这里是初始化的值）入栈*/
    "ret\n\t"               /* ret命令正好可以让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中*/
    "popl %%ebp\n\t"       /*这里永远不会被执行，知识与前面push指令结对出现，是一种编码习惯*/
    :
    : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);

• 由于开始栈为空，所以esp,ebp指向同一位置，之后esp,eip依次压栈，pop eip进程0开始启动，之后清空栈，指针esp，ebp又同时指向栈顶（也是栈底，空栈）。
  
  myinterrupt.c代码如下：

#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;
}

• myinterrupt.c包含my_timer_handler和my_schedule两个函数。 my_timer_handler每隔1000次将my_need_sched置1，调用进程的调度函数。my_schedule保存恢复进程上下文。
  
  进行进程调度的关键代码：

if(next->state == 0)/* next->state==0对应进程next对应进程曾执行过 */
{
    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"       /* 保存 当前ebp到堆栈中 */
        "movl %%esp,%0\n\t"     /* 保存当前ESP到当前进程PCB中*/
        "movl %2,%%esp\n\t"     /* 将next进程的堆栈栈顶的值存到esp寄存器*/
        "movl $1f,%1\n\t"       /* 保存当前进程的EIP值 */
        "pushl %3\n\t"
        "ret\n\t"               /* 出栈标号1到EIP寄存器*/
        "1:\t"                  /* 标号1，即next进程开始执行的位置*/
        "popl %%ebp\n\t"          /* 恢复EBP寄存器的值*/
        : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    );
}