基于mykernel的多进程的简单内核及代码分析
学号后三位：110
原创作品转载请注明出处 https://github.com/mengning/linuxkernel/
一、实验环境
Ubuntu14.04虚拟机
VMware workstation 14 Player
QEMU模拟处理器
二、实验目的
分析进程的启动和切换机制
理解操作系统的工作原理
三、实验步骤
1、在Linux中安装QEMU
在Linux终端执行下列代码：
sudo apt-get install qemu（若安装失败先执行 sudo apt-get update）
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
2、下载Linux-3.9.4内核及其补丁并编译运行
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch # download mykernel_for_linux3.9.4sc.patch (下载补丁）
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
3、使用QEMU启动内核
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
此时从QEMU窗口中可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行
4、修改mykernel源码，实现时间片轮转调度
关闭QEMU窗口，执行cd mykernel ,可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c。
1）在 https://github.com/mengning/mykernel 下载mymain.c myinterrupt.c mypcb.h三个文件。
2）从github中copy文件，进入mykernel文件夹，覆盖原来的mymain.c myinterrupt.c 新建mypcb.h。
3）重新编译内核，在LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹下，执行下面的命令。
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行结果如下：
5、代码分析
mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
#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);
此头文件对进程控制块PCB进行了定义：
其中定义了进程id，进程状态，进程使用的堆栈，当前执行的线程信息，进程入口函数地址和指向下一个PCB。模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
Thread结构体用于存储线程的上下文，ip用来保存当前指令执行位置，sp用来保存栈顶位置。
my_schedule函数声明，在myinterrupt.c中实现，在mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。
mymain.c
/*
* 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_init my_start_kernel 函数中，
首先对0号进程进行了初始化，指定了pid为0，将进程状态设为可执行，进程入口地址设为my_process函数的地址，线程栈顶指针指向本进程栈空间的首地址，next指针指向自己；
其次将0号进程的内存复制给其余三个进程，并将各个进程的进程号改为自身，线程栈顶指针指向本进程栈空间的首地址，通过next指针将这些进程创建成一个循环链表；
最后将0号进程作为起始执行进程。嵌入的汇编代码起启动进程的作用。
在my_process函数中，没个一段时间输出当前执行进程号，并根据 my_need_sched的状态值决定是否调用my_schedule函数来切换进程 。
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;
}
my_timer_handler函数用来响应时钟中断，当系统发生时钟中断时，该函数被调用，并设置变量my_need_sched = 1,导致在mymain.c中的myprocess()函数调用my_schedule()函数。
my_schedule函数用来进行进程切换，prev和next分别存储当前进程和下一个进程的PCB，切换过程由汇编代码完成。
四、实验总结
操作系统在初始化时只有一个0号进程，之后的所有进程都由该进程fork而来，而进程的切换由时钟中断完成。