基于mykernel的时间片轮转调度
学号后三位：013
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/
1. 实验环境
- 实验os: ubuntu 16.04
- Linux内核版本：linux3.9.4
- Mykernel内核运行平台：qemu-system-i386
2.实验步骤
- 安装所需的软件工具qemu.
- 从https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz下载Linux-3.9.4.tar.xz
- 从孟老师的git上下载mykernel的代码。
- 解压Linux-3.9.4.tar.xz，并将mykernel的补丁包mykernel_for_linux3.9.4sc.patch打入内核中。
- 编译内核，并运行.
sudo apt-get install qemu # install QEMU wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # download Linux Kernel 3.9.4 xz -d linux-3.9.4.tar.xz tar -xvf linux-3.9.4.tar cd linux-3.9.4 patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch make allnoconfig make qemu-system-i386 -kernel arch/x86/boot/bzImage
可以看出第一次编译的时候，出现了死循环，将原来的mymain.c 以及myinterrupt.c 覆盖，添加mypcb.h重新编译，正确运行，能够进行线程切换，结果显示如下
3.代码分析
mypcb.h
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
//定义了进程块的最大数量
#define MAX_TASK_NUM 4
//定义了栈的大小
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2
/* 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);
定义了两个结构体线程Thread和PCB进程块
Tread中定义了ip以及sp,PCB中定义了进程的进程号pid，状态state，栈stack，入口地址task_entry，线程thread以及指向下一个PCB的指针 next
my_schedule函数用来进行进程调度
mymain.c分析
/*
* 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 = 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);
}
}
}
在start函数中，首先初始化了一个只有一个结点的循环链表，然后创建了一个有4个节点的初始循环PCB链表，将第0个进程设置为当前正在运行的进程。然后使用内嵌汇编语言启动进程movl %1,%%esp\n\t，将task[pid].thread.sp的值赋给esp寄存器，即esp指向当前的进程栈pushl %1\n\t 将task[pid].thread.sp入栈，esp的值也发生改变，存储当前进程的sp值pushl %0\n\t 将task[pid].thread.ip的值压栈，存储当前进程的ip值，ret 弹出ip值，该ip值指向了my_process函数的入口，因此执行该函数，准备进行线程切换
在my_process函数中，会周期性的检查my_need_sched的值是否为1，为1进行进程切换，并且打印相关信息。
myinterrupt.c
/*
* 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 = 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;
}
在my_timer_handler函数中会周期性的改变my_need_sched的值，其时钟中断机制由qemu硬件模拟器内部实现，该中断处理程序周期执行，独立于其他程序。
my_schedule函数用来进行线程切换。定义了两个指针，pre指向当前进程，next指向当前进程的下一个进程。
然后在内嵌汇编语句里面进行切换。pushl %%ebp\n\t保存当前进程的pcb到当前堆栈中，movl %%esp,%0\n\t 保存当前esp到当前堆栈中movl %2,%%esp\n\t 将next->thread.sp赋值给esp寄存器movl $1f,%1\n\t 将1f赋值给prev->thread.ip，在它没有被eip执行时，只是一个立即数值1f，而当它被执行至指的是label1即代码中的“1:”pushl %3\n\t 将下一个进程的next->thread.ip压入自己的栈中ret\n\t 出栈标号1到eip寄存器1:\t 标号1即next进程执行的位置popl %%ebp\n\t 恢复ebp寄存器。
4.理解操作系统是如何工作的
- 操作系统是控制应用程序执行和充当硬件系统和应用程序之间的界面的软件。
- Linux操作系统的正常工作可以说有三个非常重要的部分，就是我们的存储程序原理、堆栈以及中断的支持。 操作系统对进程的管理主要就是进程的管理和调度，我们为每个进程维护一个进程描述和以及进程间的关系。我们的内核的工作主要有两部分组成，首先运行有一个内核线程，然后就是一些中断处理程序的集合，我们在中断处理程序中要就行进程的调度。
- 在执行进程切换时要保存上下文环境