探索操作系统如何工作(通过一个时间片轮转内核程序)-基于实验楼

• 使用实验楼平台 编译内核
• • 操作步骤
  • 操作流程
  • 写入代码
  • • mypcb.h文件
    • myinterrupt.c
    • mymain.c
  • 执行代码
• 代码分析
• 操作系统如何工作

首先进入实验楼环境，然后按如下步骤来一步一步编译内核，使用qemu模拟器来进行模拟

# 注意路径是区分大小的
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4

$ rm -rf mykernel

$ patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

$ make allnoconfig

# 编译内核请耐心等待
$ make

$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2

struct Thread {
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;	
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);

PCB是进程管理块，这里定义了两个数据结构和一个函数,PCB是记录进程管理和控制信息的数据结构。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#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;


void my_timer_handler(void)
{
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<next == NULL)
    {
    	return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<next;
    prev = my_current_task;
    if(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 $1f,%1nt"       	
        	"pushl %3nt" 
        	"retnt" 	            
        	"1:t"                  
        	"popl %%ebpnt"
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	); 
    }  
    return;	
}

这里是进程的切换的代码，有了中断机制后进程才可以并发执行，比如有四个进程A,B,C,D，有20s时间先2s给A,3s给B,4s给C,5s给D，剩下时间又执行A,B,C,D，直到所有进程执行结束，这就是时间片轮转的算法。这里给出了my_schedule(进程切换)函数的算法逻辑。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#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;
    
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;
    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];
    
    for(i=1;ipid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
        	    my_schedule();
        	}
        	printk(KERN_NOTICE "this is process %d +n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

这是内核的入口，这个文件中写了进程描述与进程链表管理等逻辑。

将上述代码写入后,make一下，再输入指令

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

得到的结果如下:
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4d6d24437af6410a9dd68e9bbc251c38.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s,shadow_50,text_Q1NETiBA5Luj546b5peg6IO95Lq65aOr,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

四个进程来回切换。

在这些代码中出现了形如
asm volatile();这样的形式，这是内嵌汇编代码。

asm volatile(
    汇编语句模块:
    输出部分:
    输入部分:
    破坏描述部分
);

在mymain.c中有一段内嵌汇编代码

asm volatile(
    	"movl %1,%%espnt" 	
    	"pushl %1nt" 	        
    	"pushl %0nt" 	        
    	"retnt" 	            
    	: 
    	: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)	
	);

这里%1是"d" (task[pid].thread.sp)，%0是"c" (task[pid].thread.ip)。

纠正:以下ebp用esp更加恰当

第一行代码是进程初始化

第二行代码是压栈(d为当前ebp寄存器的值)

第三行代码同样是压栈(当前进程eip)

第四行代码将当前进程eip存入eip寄存器中。(这一段很重要，将要执行进程0，因为eip决定了代码执行的顺序)

	
    	asm volatile(	
        	"pushl %%ebpnt" 	    
        	"movl %%esp,%0nt" 	
        	"movl %2,%%espnt"     
        	"movl $1f,%1nt"       	
        	"pushl %3nt" 
        	"retnt" 	            
        	"1:t"                  
        	"popl %%ebpnt"
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	); 

因为之前已经有个进程0，根据代码逻辑我们的进程0就是prev，这里是根据头文件相当于定义了一个链表，有prev和next。

这里与之前那段汇编类似，%0就是prev->thread.sp，%1就是prev->thread.ip,%2就是next->thread.sp，%3就是next->thread.ip。
执行第一行就是将当前进程(进程0)的ebp压入栈。

"pushl %%ebpnt" 	 

"movl %%esp,%0nt" 

这是保存进程上下文，将当前进程(进程0)的esp寄存器保存到这个%0(prev->thread.sp)中。

"movl %2,%%espnt"

将%2(next->thread.sp)保存到ebp寄存器，也就是切换到了下一个进程(进程1)。

"movl %2,%%ebpnt"

这个是进程1是个空栈，这样操作可以使ebp与esp都指向栈底。

"movl $1f,%1nt" 

将$lf保存到%1(prev->thread.ip)中。

"pushl %3nt" 

将%3(next->thread.ip)压入栈中

"retnt" 	  

将next进程栈中的next->thread.ip出栈到eip寄存器

"1:t"     

执行进程1

后面就是进程1结束弹栈，同样的道理进程2 3也是这样，这个程序就是进程0 1 2 3四个进程的来回切换。

这一部分主要是进程的切换，在操作系统中有时间片轮转的内核，就是实现进程的不断变化，本质就是中断机制，每个进程就是一个进程栈，通过esp与ebp的变换实现不同进程的切换。(我不知道这是不是对的，只是个人理解，我感觉还是有点云里雾里，希望各位大佬指正)