操作系统工作流程

Posted 2021-01-15 20189224sxy

计算机有三个关键性机制：存储程序计算机，堆栈机制和中断机制
第一章中已经重点学习了存储程序的计算机，接下来我们重点学习堆栈机制和中断机制。

堆栈机制

堆栈机制是高级语言可以实现的基础机制，是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，他的具体作用有：记录函数调用框架，传递函数参数，保存返回值的地址，提供函数内部局部变量的存储空间等
堆栈相关的寄存器有：
1.ESP（堆栈指针寄存器）以及EBP（记录当前函数调用基址的基址指针寄存器）
2.CS：EIP：总是指向下一条的指令地址。顺序执行时，总是指向地址连续的下一条指令；跳转/分支执行时，CS:EIP的值会根据程序需要被修改。
3.EAX：保存返回值。如果有多个返回值，则返回一个内存地址。
堆栈相关操作：
push：栈顶地址减少4个字节，并将操作数放入栈顶存储单元
pop:栈顶地址增加四个字节，并将栈顶存储单元的内容放入操作数
call:将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS;EIP指向被调用函数的入口地址
ret：从栈顶弹出原来保存在这里的CS:EIP的值，放入CS:EIP的值
enter和leave:一步对函数调用堆栈框架的建立和拆除进行封装
参数传递;从左到右依次压栈

中断机制实验

虚拟X86的cpu硬件平台搭建

本次实验在实验楼环境中进行,实验代码如下

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

搭建起来后内核的启动效果如下

在mykernel基础上完成一个简单的时间片轮转多道程序

在前面试验的基础上cd mykernel ，增加一个mypcb.h的头文件
mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long       ip;  
    unsigned long       sp;  
};

typedef struct PCB{
    int pid;                
    volatile long state;   
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long   task_entry;  
    struct PCB *next; 
}tPCB;//pcb结构体定义

void my_schedule(void);

修改mymain.c文件如下

#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];  //PCB的数组task
tPCB * my_current_task = NULL; //当前task指针
volatile int my_need_sched = 0; //是否需要调度

void my_process(void); 

void __init my_start_kernel(void) //mykernel内核代码入口
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* 初始化0号进程*/
    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其他进程 */
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -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];
    }
    
    /* 用task[0]开始0号进程 */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp
	"    
        "pushl %1
	"        
        "pushl %0
	"         
        "ret
	"               
        "popl %%ebp
	"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}   

void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1) //判断是否需要调度
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule(); 
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

修改myinterrupt.c文件如下：

/*
 *  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<<<
");
        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<<<
");
    /* 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<<<
",prev->pid,next->pid);  
        /* 进程切换 */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp
	"       /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
	"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */
            "movl $1f,%1
	"       /* save eip */  
            "pushl %3
	" 
            "ret
	"               /* restore  eip */
            "1:	"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp
	"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
    }  
    return; 
}

重新make编译后qemu窗口查看，得到如下结果：

遇到问题
1.make编译出错
2.重新启动后内核启动效果没有变化
解决方法
1.在mykernel目录下修改代码
2.换了一组新的内核代码，最开始使用的代码切换进程过程不完成