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2021-2022-1 20212803《Linux内核原理与分析》第三周作业

Linux 更新时间: 发布时间: IT归档 最新发布 模块sitemap 名妆网 法律咨询 聚返吧 英语巴士网 伯小乐 网商动力

2021-2022-1 20212803《Linux内核原理与分析》第三周作业

一,mykernel 实验: 1.深度理解函数调用堆栈:

上周已经一步步地分析过含有变量的函数调用时堆栈的变化,现在对堆栈框架进行一些补充,以以下程序为例:

int main()  
{
    ...
    g(x,y); 
    ...
}
int g(int x,int y)
{
    h(c);.
}
int h(int x)
{
    ...
}

 大致栈空间以及自己领会的函数调用堆栈变化框架:

 2.时间片轮转多道程序代码分析:

  计算机工作的三个法宝是存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制。mykernel 启动后,会调用 my_start_kernel 函数,完成进程的初始化,时钟中断周期性地调用 my_timer_handler函数,完成进程的调度。

  扩展 my_start_kernel 和 my_timer_handler 函数,即修改 mymain.c 和 myinterrupt.c,新增 mypcb.h,模拟时间片轮转的多道程序,现在将内核核心代码加以分析:

mypcb.h
struct Thread {
    unsigned long       ip;
    unsigned long       sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;                                //进程的id号
    volatile long state;                    //进程的状态
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];          //进程的栈
    struct Thread thread;                   //Thread 结构体
    unsigned long   task_entry;             //进程的起始入口地址
    struct PCB *next;                       //指向下一个进程的指针
}tPCB;

void my_schedule(void);                     //此函数执行进程调度

 定义了PCB结构体,包括进程号、状态、堆栈、Thread结构体、入口地址、next指针。

 mymain.c

(1)初始化所有进程,使成为循环链表:

#include "mypcb.h"

tPCB task[MAX_TASK_NUM];                        //定义4个进程
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);                           //每10000000 来进行进程调度,调用my_schedule

void __init my_start_kernel(void)
{ 
    int pid = 0;                             
    int i;
    task[pid].pid = pid;                       //0号进程pid设为0
    task[pid].state = 0;                       //0号进程state设为可运行
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;//0号进程的ip和入口地址设为my_process();
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];//0号进程的栈顶为stack数组的最后一个元素
    task[pid].next = &task[pid];                                              //next指针指向自己
    for(i=1;i 

 

 (2)0号线程的启动:

 asm volatile(
        "movl %1,%%espnt"     //esp指向stack数组的末尾
        "pushl %1nt"          //将task[0].thread.sp压栈
        "pushl %0nt"          //将task[0].thread.ip压栈
        "retnt"               //eip指向0进程起始地址,启动0号进程
        "popl %%ebpnt"        //释放栈空间
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   

 

myinterrupt.c

my_timer_handler 函数每隔1000产生一个中断并把 my_need_sched 设置为1,此时 mymain.c 中 my_process 函数调用my_schedule 调度程序进行进程切换。

  1. 时钟中断: 
    void my_timer_handler(void)
    {
    #if 1
        if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
        {
            printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<< 
  2. 进程调度:
if(next->state == 0)                  //下一个进程可运行,执行进程切换
    {
           
        asm volatile(    
            "pushl %%ebpnt"           //保存当前进程的ebp
            "movl %%esp,%0nt"         //将当前进程的esp储存到当前进程的thread.sp
            "movl %2,%%espnt"         //esp指向下一个进程
            "movl $1f,%1nt"           //将1f存储到thread.sp.$1f是“1:t”处,再次调度到该进程时就会从1:开始执行
            "pushl %3nt"              //将下一个进程的thread.ip压栈
            "retnt"                   //eip指向下一个进程的起始地址
            "1:t"                      
            "popl %%ebpnt"            //待下一个进程执行完后释放栈空间,恢复现场
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<pid,next->pid);   

 当下一个进程一次也没运行过,执行else后的语句:

else
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<pid,next->pid);
        
        asm volatile(    
            "pushl %%ebpnt"         
            "movl %%esp,%0nt"     
            "movl %2,%%espnt"     
            "movl %2,%%ebpnt"     
            "movl $1f,%1nt"           
            "pushl %3nt" 
            "retnt"                 
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }
思考:
  • 相比if,else多了 "movl %2,%%ebpnt",少了"popl %%ebpnt",即将esp和ebp指向同一位置,并不恢复原进程,所以此部分是由于进程未运行过,所以要开始执行一个新进程;
  • 此部分的"movl $1f,%1nt"是将进程原来的ip(my_process)替换为$1f,使得它被切换回来(运行状态)进入if,可从标号1:处继续执行;
  • 为什么定义Thread时设置sp和ip保存esp和sip,而不设置bp来保存ebp呢?pushl $ebp压栈保存现场,popl $ebp出栈恢复现场,不需要单独设置变量来保存ebp就可完成,而eip和esp在进程切换中需要不停地变动,必须设置变量来保存。
总结:

  操作系统内核从一个起始位置开始执行,完成初始化操作后,开始执行第一个进程。计算机为每个进程分配一个时间片,如果在时间片结束时进程仍在运行,该进程被阻塞,保存现场后切换到另一个进程,执行完后再返回原进程执行,从而完成进程调度。

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