基于mykernel的简单时间片轮转多道程序的实现

  丁春阳--原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/ 

 一、实验步骤

使用实验楼在线的环境,用其虚拟机打开shell,输入如下指令:

cd LinuxKernel/linux-3.9.4

rm -rf mykernel

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

make allnoconfig

make 

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

启动内核,如下图所示:

  修改/shiyanlou/LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel中的mymain.c;myinterrupt.c中的代码,并将mypcb.h的代码也放入其中,输入make命令,重新编译内核,输入qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage 命令,启动内核,如下图所示:

二、重点代码分析

1.mypcb.h

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4//最大进程数
#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);//进程调度

    进程控制块结构体中的pid指进程id,为进程的唯一标识,stack[KERNEL_STACK_SIZE]为进程对应的堆栈,thread是指线程信息,task_entry为可执行程序的入口,next为指向下一个进程控制块节点的指针。
2.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;//是否需要调度的标志

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;//将第i个进程的进程控制块节点插入进程控制块链表中
        task[i-1].next = &task[i];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];///当前进程指针指向0进程
    asm volatile(//嵌入汇编代码,启动进程0
        "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;//将进程是否需要调度标志重置为0。
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

进程启动:用嵌入式汇编代码实现,先将原堆栈栈顶的地址存入ESP寄存器,将当前EBP寄存器的值入栈,将当前进程的EIP

的值入栈,ret命令将入栈进程的EIP存到EIP寄存器中。

进程执行函数:my_process()中存在一个死循环,循环1000万次才有一次机会判断进程是否需要调度,若需要调度则调用  my_schedule()函数,为主动调度。


3.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)//被Linux内核周期性的调用
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)//时间片的大小为1000
    {
        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)//异常处理
    {
        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;    
}

第一种情况,进程已经执行过,先保存ebp,再保存当前esp到当前进程pcb中,将next进程的堆栈栈顶的值存到esp中,保存当前进程的eip的值到pcb中,将next进程继续执行的代码位置压栈,然后出栈到eip。
第二种情况,进程尚未执行过(next->state != 0),则进行如下动作进行进程切换,先保存ebp到堆栈,再保存当前esp到当前进程pcb中,将next进程的堆栈栈顶的值存到esp中,将next进程的堆栈基地址的值存到ebp中,保存当前进程的eip的值到pcb中,将next进程继续执行的代码位置压栈,然后出栈到eip。

三、总结

计算机有三大法宝:存储程序计算机,函数调用堆栈,中断。操作系统有两大宝剑:即中断上下文和进程上下文。中断上下文的切换是保存现场和恢复现场;进程在执行过程中,当时间片用完切换时需要先保存当前的进程执行环境,下次进程被调度时,需要恢复进程的上下文环境,这样才能实现多道程序的并发执行。

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