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一、实验环境

虚拟机为VMware Workstation，系统为Ubuntu 18.04

部署平台

sudo apt-get install qemu # install QEMU
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # download Linux Kernel 3.9.4 source code
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch # download mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
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 -kernel arch/x86/boot/bzImage

一切顺利地话，可以看到如下的QEMU窗口:
基于mykernel完成多进程的简单内核

可能的问题

系统自带的gcc版本较高，导致不兼容原来的代码。
解决方法：

# 安装低版本的gcc，并将系统默认编译器设为低版本
sudo apt-get install gcc-4.8
sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-4.8 100

二、实验步骤

获取实验的源代码，分别为mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c
将以上文件拷贝至linux-3.9.4/mykernel文件下。
重新编译内核文件
再启动QEMU窗口，即可看到如下界面：

三、源码分析

mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4	// 支持最多的进程数
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2	// 内核堆栈的大小
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long		ip;	// eip指针
    unsigned long		sp;	// esp指针
};
 
typedef struct PCB{
    int pid;	// 进程号
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];	// 进程堆栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;	// 用于记录指针状态
    unsigned long	task_entry;	// 入口事件
    struct PCB *next;	// 指向下一个pcb块
}tPCB;
 
void my_schedule(void);

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;	// 计数器

/*
 * 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
    // 通过计数对my_need_sched进行设置，当time_count计数器达到1000并且全局变量my_need_sched不为1时，将其设置为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;     
}

// 调度实现
void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;
	// 若当前任务为空或者下一个任务为空直接返回
    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 */
    {        
        // 切换当前任务
        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; 
}

$1f 是一种前向引用，其中1代表标签1，f代表forward。这里指令movl $1f, %1\n\t是执行标签1之前的一句即ret指令，将ip信息弹出，并保存在prev的ip信息里。

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);

// 初始化内核
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;
    // 模拟堆栈，使sp指向栈顶位置
    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++)
    {
        // 复制0号进程的内容到task[i],并设置相应信息
        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];
    	//重设栈指针
    	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];
    // 根据pcb中的sp值,设置当前task的栈顶指针
    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*/
    );
} 

int i = 0;
void my_process(void)
{    
    // 由于之前设置了0号进程的entry是my_process,从0号进程开始
    while(1)
    {
        i++;
        //每循环10000000次，打印信息
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            // 当my_need_sched == 1时进程调度
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

mymain.c文件首先对进程进行初始化，并从0号进程开始调度。通过my_timer_handle函数实现对于my_process函数的控制，进行中断与控制，防止死循环。

四、实验总结

本次实验实现了Linux进程简单时间片的调度机制。通过对于mykernel源码的分析，可以了解到进程调度过程中发生中断的原因与过程，以及如何通过%esp，%ebp，%eip的指针变化将中断现场进行保护与恢复。最后进一步加深了对存储程序计算机，堆栈和中断的理解。

基于mykernel完成多进程的简单内核