学号：534
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

一、实验环境

1.mykernel

mykernel是由科大孟宁老师建立的一个用于开发您自己的操作系统内核的平台，它基于Linux Kernel 3.9.4 source code.。
我们可以在这里找到mykernel的源代码：https://github.com/mengning/mykernel ，并按照上面的指南部属到您的系统上。
本文的实验就是在虚拟机环境里完成的：
虚拟机：VMware® Workstation 14 Pro-14.1.3 build-9474260
操作系统：ubuntu-14.04.2-desktop-amd64.iso

2.编译运行mykernel

在虚拟机中运行终端。
按照https://github.com/mengning/mykernel 的指南一步步的部署mykernel。
在这里插入图片描述
输入make指令后等待一段时间，直至编译完成。

输入最后一行命令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
即可打开如下图所示的QEMU虚拟机，运行已经预先编译好的mykernel内核环境。

在这里插入图片描述
如上图所示，在QEMU窗口，我们可以看到一个简单的操作系统已经跑起来了，当然这个系统很简单，只是不停的输出一些字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here + number 。

3.查看mymain.c与myinterrupt.c的源代码

接下来我们看一下产生这两种输出的源代码mymain.c和myinterrupt.c。
先关闭QEMU窗口，在终端中cd mykernel 可以发现它们：
在这里插入图片描述
然后通过cat命令就可以在终端中打印出全部代码。
先看mymain.c的代码，如下图所示：

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 <<<<<
再看myinterrupt.c的代码，如下图所示：
在这里插入图片描述
图中框起来的地方可以看出来，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。

二、一个简单的时间片轮转多道程序

通过上面的分析，我们再来看一个稍微复杂一点的实验，这个实验也就是扩展了my_start_kernel和my_timer_handler函数，模拟了一个基于时间片轮转的多道程序。

我们先做实验，再来分析代码。

实验过程

（1）从这里获取实验用的源代码，https://github.com/mengning/mykernel，主要就这三个文件：mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c。
可以通过git clone 命令获取代码。
在这里插入图片描述
（2）将这三个文件拷贝到mykernel平台中，即要覆盖前文所述的mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增mypcb.h
（3）回到 LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹，重新用之前的命令编译、运行

（4）实验效果：
在这里插入图片描述
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。

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);

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。中的各个字段含义如下

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。

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,%%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*/
);

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,%%esp\n\t 将原堆栈的栈顶放到sp寄存器中
pushl %1\n\t 将ep寄存器的值存入栈
pushl %0\n\t 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。

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。

总结

通过本次实验内容，一定程度上加深了对操作系统的理解。
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。

基于mykernel的简单时间片轮转多道程序内核代码分析