基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

一. 实验要求

  • 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0,熟悉Linux内核的编译;

  • 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核,参照https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码

  • 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

二. 实验步骤

1.编译mykernel

这里我通过xshell远程登录到后台虚拟机, 使用xshell向虚拟机传送数据很方便, 直接拖到窗口即可. 我们首先将两个文件mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch以及linux-5.4.34.tar.xz通过上述方式传送到用户根目录下, 接着执行如下的命令, 编译内核并安装 qemu虚拟机:

xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install qemu 
make deconfig
make

注:

  • 在Ubuntu16.04的环境下执行sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev可能会出现 flex软件无定位的问题, 这里本次实验环境采用的Ubuntu18.04
  • 在编译时可以指定核心数, 这里我虚拟机配置是1核.....很慢很慢

编译完成后,我们尝试启动qemu虚拟机:

qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

可以看到虚拟机运行结果, my_start_kernel会周期性的执行

2.基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

在Linux-5.3.34内核源代码根⽬录下进⼊mykernel⽬录,可以看到QEMU窗⼝输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c,当前有⼀个虚拟的CPU执⾏C代码的上下⽂环境,可以看到mymain.c中的代码在不停地执⾏。同时有⼀个中断处理程序的上下⽂环境,周期性地产⽣的时钟中断信号,能够触发myinterrupt.c中的代码。这样就通过Linux内核代码模拟了⼀个具有时钟中断和C代码执⾏环境的硬件平台。我们只要在mymain.c的基础上继续写进程描述PCB和进程链表管理等代码,在myinterrupt.c的基础上完成进程切换代码,就可以完成⼀个可运⾏的⼩OS kernel.接下来,

  • ⾸先在mykernel目录下增加⼀个mypcb.h头件用来定义进程控制块(Process ControlBlock), 也就是进程结构体的定义。

    我们用vscode的Remote-ssh插件连接上我们的虚拟机, 在vscode中, 新建文件mypch.h

    /*
     *  linux/mykernel/mypcb.h
     */
    
    //最大的任务数
    #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; /*进程号*/
        volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
        char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; /*进程使用的堆栈*/
        /* CPU-specific state of this task */
        struct Thread thread; /*当前正在执行的线程信息*/
        unsigned long   task_entry; /*进程的入口函数*/
        struct PCB *next; /*next指针指向下一个PCB, 所有的PCB以链表的形式组织起来*/
    }tPCB;
    
    //调度函数
    void my_schedule(void);
    

![]

  • 接着,我们需要修改mymain.c, 加入我们的时间片轮转调度

    /*
        时间片轮转调度
    */
    
    #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].state = 0;
            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(
            "movq %1,%%rsp\\n\\t"  /* set task[pid].thread.sp to rsp */
            "pushq %1\\n\\t"          /* push rbp */
            "pushq %0\\n\\t"          /* push task[pid].thread.ip */
            "ret\\n\\t"              /* pop task[pid].thread.ip to rip */
            :
            : "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 -\\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);
            }
        }
    }
    
  • 接着, 我们需要对myinterrupt.c进行修改, 在时间片使用完之后要完成进程的切换

    #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.
     */
    void my_timer_handler(void)
    {
        if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
        {
            printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\\n");
            my_need_sched = 1;
        }
        time_count ++ ;
        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(
             "pushq %%rbp\\n\\t"       /* save rbp of prev */
             "movq %%rsp,%0\\n\\t"     /* save rsp of prev */
             "movq %2,%%rsp\\n\\t"     /* restore  rsp of next */
             "movq $1f,%1\\n\\t"       /* save rip of prev */
             "pushq %3\\n\\t"
             "ret\\n\\t"               /* restore  rip of next */
             "1:\\t"                  /* next process start here */
             "popq %%rbp\\n\\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
          );
        }
        return;
    }
    
  • 最后, 我们将内核重新编译, 然后运行

3.简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

​ 在my_timer_handler 中, 每执行1000次循环就会将my_need_sched这个值改为1, 然后my_start_kernel就会发生进程切换

进程切换核心代码:

asm volatile(
         "pushq %%rbp\\n\\t"       /* 1 save rbp of prev */ 
         "movq %%rsp,%0\\n\\t"     /* 2 save rsp of prev */
         "movq %2,%%rsp\\n\\t"     /* 3 restore  rsp of next */
         "movq $1f,%1\\n\\t"       /* 4 save rip of prev */
         "pushq %3\\n\\t"        /* 5 save rip of next */   
         "ret\\n\\t"               /* 6 restore  rip of next */
         "1:\\t"                  /* 7 next process start here */
         "popq %%rbp\\n\\t"        /* 8 restore rbp of next  */
        : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
      );
    }

这段代码老师上课也是讲过的, 大致过程如下:

  1. pushq %%rbp保存prev进程(本例中指进程0)当前RBP寄存器的值到堆栈;

  2. movq %%rsp,%0保存prev进程(本例中指进程0)当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp,这时RSP寄存器指向进程的栈顶地址,实际上就是将prev进程的栈顶地址保存;%0、%1...指这段汇编代码下⾯输⼊输出部分的编号。

  3. movq %2,%%rsp将next进程的栈顶地址next->thread.sp放⼊RSP寄存器,完成了进程0和进程1的堆栈切换。

  4. movq $1f,%1保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip,这⾥$1f是指标号1

  5. pushq %3把即将执⾏的next进程的指令地址next->thread.ip⼊栈,这时的next->thread.ip可能是进程1的起点my_process(void)函数,也可能是$1f(标号1)。第⼀次被执⾏从头开始为进程1的起点my_process(void)函数,其余的情况均为$1f(标号1),因为next进程如果之前运⾏过那么它就⼀定曾经也作为prev进程被进程切换过。

  6. ret就是将压⼊栈中的next->thread.ip放⼊RIP寄存器,为什么不直接放⼊RIP寄存器呢?因为程序不能直接使⽤RIP寄存器,只能通过call、ret等指令间接改变RIP寄存器。

以上是关于基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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