2021-2022-1 20212812《Linux内核原理与分析》第三周作业

完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4

$ rm -rf mykernel

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

$ make allnoconfig

$ make // 编译内核

$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

执行结果如下

首先通过cat命令查看mymain.c的代码，如下：

可以看到，在my_start_kernel函数中，不停地循环执行一条输出语句，打印出了在QEMU窗口中看到的>>>my_timer_handler here <<<<<

然后查看myinterrupt.c的代码，如下：

这是一个被时钟中断状态下调用的函数：my_timer_handler，调用这个函数的结果是打印出my_start_kernel here + number 语句。
于是，以上两个函数不断执行，产生了上述的效果，模拟出了一个简单的操作系统。

获取代码，覆盖前文所述的mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增mypcb.h，重新用之前的命令编译、运行，效果如下：

可以看到此时内核已经在模拟进程运行和切换，在进程0,1,2,3直接不停切换。

#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);

在这个文件里，定义了 Thread 结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp。

• ip :保存当前指令执行位置
• sp:保存栈顶位置

文件还定义了PCB结构体，其中各个字段含义如下

• pid：进程号
• state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如 果被调度运行起来，其值就会变成0
• stack：进程使用的堆栈
• thread：当前正在执行的线程信息
• task_entry：进程入口函数
• next：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。

这里还有一个函数的声明 my_schedule，它的实现在my_interrupt.c中，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。

#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);
        }     
    }
}

在第一部分中已经看到，函数 my_start_kernel 是系统启动后立即调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的进程调度，因此这部分是本次实验需要理解的重点。

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

这是嵌入式汇编的部分，这里的%1指的是task[pid].thread.sp,%0是task[pid].thread.ip
分别解读每个语句的意思：

• movl %1,%%espnt 将原堆栈的栈顶放到sp寄存器中
• pushl %1nt 将ep寄存器的值存入栈
• pushl %0nt 将当前进程ip值入栈

如此一来，0号进程开始启动,程序接下来就去调用my_process()
在当前系统里，每个进程都调用my_process 函数，my_process 在执行的时候，在界面中打印出当前调度了几号进程。

此外 my_process 中也会判断一个全局标志变量 my_need_sched，当其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。

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;	 }

my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，全局变量my_need_sched的值重置为1，并通知正在执行的进程执行调度程序my_schedule。因此，题目中所说的时间片轮转就是 my_timer_handler 函数，它在轮转中周期性地发出中断信号。
在my_schedule函数中，完成进程的切换。

进程的切换分两种情况，一种情况是下一个进程没有被调度过，另外一种情况是下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。

进程切换依然是通过内联汇编代码实现，无非是保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中。

my_start_kernel()完成每个进程初始化，每个进程的任务都是my_process(),由于这个函数中有个无限循环，任务永远不会结束；并且启动了0号进程。任务需要调度时根据任务链表顺序进行调度。

• 通过本次实验内容，加深了我对操作系统的理解；结合堆栈知识和一些特殊寄存器的变化，清晰了调度过程中发生中断的原因与过程； 最后，通过本次实验明白了进程调度和中断机制再操作系统中的重要性。