实验：基于kernel的简单的时间片轮转多道程序内核

1、实验要求

完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

2、实验过程

进入实验楼的linux环境，打开shell，输入以下代码：

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

执行的效果如下：

在mykernel的基础上添加mypcb.h，修改mymain.c和myinterrupt.c文件，实现一个简单的操作系统内核，实现效果如下：

3、mykernel时间片轮转代码分析

mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4

#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* CPU-specific state of this task */

struct Thread {

    unsigned long       ip;   //对应eip

    unsigned long       sp;   //对应esp

};

typedef struct PCB{

    int pid;                 //定义进程id

    volatile long state;     //-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped

    char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //内核堆栈

    /* CPU-specific state of this task */

    struct Thread thread;

    unsigned long   task_entry;   //入口

    struct PCB *next;

}tPCB;

void my_schedule(void); //声明调度函数

本mypcb.h头文件主要定义了程序控制块PCB，包括：

pid：定义进程id

state：进程状态标记，-1是未运行，0为运行，>0为终止

stack：定义使用的堆栈

thread：定义线程

task_entry：进程入口

next：链表指向下一个PCB

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引用全局变量

extern tPCB * my_current_task;

extern volatile int my_need_sched;

volatile int time_count = 0;

void my_timer_handler(void) //时钟中断触发本函数

{

#if 1

    if(time_count%100 == 0 && my_need_sched != 1) //当时钟中断发生100次，并且my_need_sched不为1时，赋值为1

    {

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

        my_need_sched = 1;

    }

    time_count ++ ;

#endif

    return;

}

void my_schedule(void)

{

    tPCB * next;   //下一进程

    tPCB * prev;   //当前进程

    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 */ //下一个进程可运行，执行进程切换

    {

        my_current_task = next;

        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);

        /* 切换进程 */

        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)

        ); 

    }

    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;

}

本c文件中，定义了my_timer_handler和my_schedule两个函数调用，前者是当时钟中断发生100次，并且my_need_sched不为1时，赋值为1，是mymain.c中my_process函数判定主动调度的标志；后者是执行调度的具体过程，下面对切换进程的汇编代码进行分析：

"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp / ebp入栈

"movl %%esp,%0\n\t" / save esp / 保存当前esp到进程的sp中

"movl %2,%%esp\n\t" / restore esp / esp指向下一进程

"movl $1f,%1\n\t" / save eip / 将1f存储到进程的ip中，$1f是标号“1:\t”处,再次调度到该进程时就会从1:开始执行

"pushl %3\n\t" 下一进程的ip入栈

"ret\n\t" / restore eip / eip指向下一进程的起始地址

"1:\t" / next process start here */ 下一进程从此处开始执行

"popl %%ebp\n\t" 执行完后出栈释放空间

: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) 分别对于上面的%0，%1

: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) 分别对应上面的%2，%3

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];  //PCB的数组task

tPCB * my_current_task = NULL; //当前task指针

volatile int my_need_sched = 0; //是否需要调度

void my_process(void);  //my_process函数声明

void __init my_start_kernel(void) //mykernel内核代码的入口

{

    int pid = 0;

    int i;

    /* 初始化0号进程*/

    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其他进程 */

    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)

    {

        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));

        task[i].pid = i;

        task[i].state = -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];

    }

    /* 用task[0]开始0号进程 */

    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 */

        "popl %%ebp\n\t"

        :

        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/

    );

}   

void my_process(void)

{

    int i = 0;

    while(1)

    {

        i++;

        if(i%10000000 == 0)

        {

            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);

            if(my_need_sched == 1) //判断是否需要调度

            {

                my_need_sched = 0;

                my_schedule();  //这是一个主动调度

            }

            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);

        }

    }

}

本c文件中，有my_start_kernel和my_process两个函数，其中，前者为mykernel内核代码的入口函数，后者为进程的入口函数，进程在运行中输出当前进程号，并通过my_need_sched变量判断是否需要调度。

其中对0号进程的启动汇编代码进行分析：

"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp / 将当前进程0的sp赋给esp

"pushl %1\n\t" / push ebp / 进程0的sp入栈

"pushl %0\n\t" / push task[pid].thread.ip / 进程0的ip入栈

"ret\n\t" / pop task[pid].thread.ip to eip / 将进程0的ip赋给eip

"popl %%ebp\n\t" 执行完其他进程，回到0号进程，出栈

:

: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) / input c or d mean %ecx/%edx*/ 输入，将0号进程的ip、sp值分别存入ecx、edx寄存器中，分别对应上面的%0，%1

4、问题与总结

本次实验没有遇到什么重大的问题，但是小毛病犯了一堆，比如在将代码拷入实验楼linux环境的vim中时，实验楼的粘贴板不知为何复制粘贴会缺失一段代码，后在编译c文件的时候总是报错，这个问题找了好久，后来发现是粘贴板粘贴的代码缺失。还有一个是在make时找不到文件，后来发现修改代码是在/mykernel目录下进行修改的，make编译内核需要在LinuxKernel/linux-3.9.4目录下进行，需要返回上一级菜单进行make。

总共来讲，本周各种事情比较多，学习的计划一拖再拖，推迟了好久才完成，以后一定要合理分配时间，这一点尤为重要。

还有，学习要认真仔细，尽量避免因为犯低级错误而白白消耗大量学习时间。

巴特西

《Linux内核原理与分析》第三周作业

实验：基于kernel的简单的时间片轮转多道程序内核

1、实验要求

2、实验过程

3、mykernel时间片轮转代码分析

4、问题与总结

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