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。
一、实验环境
阿里云学生版 Ubuntu 16.04
二、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
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
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
make defconfig # Default configuration is based on \'x86_64_defconfig\'
# 使用allnoconfig编译出来qemu无法加载启动,不知道为什么?有明白的告诉我,完整编译太慢了,消耗的资源也多。
make -j$(nproc) # 编译的时间比较久哦
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
三、结合详细代码简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
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);
mypcb.h 模拟真实内核中的进程控制块,基于这个角度,可以更好理解内容。
- Thread结构体模拟了进程,ip,sp是用于描述进程的相关状态;根据课程回忆,大概是sp标识线程栈底,ip标识下一条指令地址(不是十分确定)
- PCB结构体实现了简单的的进程控制块
- pid:进程的id号,用于标识进程
- state:继承的状态。-1阻塞,0就绪,>0停止
- stack:模拟一个进程所具有的栈空间,在开头定义为1024*2
- thread:进程中的线程
- task_entry:函数入口
- * next:指针,指向下一个PCB。说明PCB之间的组织结构是链表。
- my_schedule:方法签名?留待后用。
mymain.c
#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].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*/ ); } 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); } } }
my_start_kernel()
- 初始化最开始的进程的相关信息,为最开始的进程控制块的的信息初始化值,作为时间片轮转的开始
- 以第一块PCB其实,不断初始化新的PCB,形成队列
- 在之后的汇编代码是启动0号PCB
my_process()
- 模拟每个进程的执行任务,用输出该进程的进程号代替实际的进程任务
- 进程间的切换采用时间片轮转机制,在my_need_sched =1时,进行轮转,并重置为0;
关键汇编代码分析
- movq %1,%%rsp :%1,是sp。将sp的值赋给rsp寄存器中,相当于使rsp指向0号进程的栈底。
- pushq %1 :因为是进程0初始化,所以空栈。此时,rbp=rsp。在压栈之后,rsp指向栈顶。
- pushq %0\\n\\t:0进程的ip值入栈。rsp指向它。
- ret\\n\\t:将栈顶,也就是0进程ip值返回,使ip进入rip寄存器中。rsp指向第一个单元。
- 三、四两步使用了tricky的方式,将ip值放入rip中,因为rip安全起见程序员接触不到,但是在这种情况下,可以对rip进行操作。
- 至此,rip,rsp都初始化为0进程的对应的值,my_process()可以启动。
myinterrupt.c
#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(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; }
my_timer_handler()
- 相当于一个计时决策机制,当timer_count%1000==0且my_need_sched=0时,标识时间片到期,my_need_sched=1。
- 当mymain.c中观察到my_need_sched=1时,my_process(0调用my_schedule()执行线程调度。
my_schedule()
- 实际上执行进程调度的函数,通过汇编语言描述PCB链表中的进程切换。
关键汇编代码分析
- pushq %%rbp\\n\\t:保存当前进程的rbp寄存器中的值,放在当前进程的堆栈中
- movq %%rsp,%0\\n\\t:保存当前进程的rsp的值,放在pcb的sp中。实质是结合上一步,将当前进程的栈顶栈底地址保存起来。
- movq %2,%%rsp\\n\\t:将下一个进程的sp值从pcb中取出,放到rsp寄存器里。此时堆栈已经切换到了下一个进程
- movq $1f,%1\\n\\t:将当前进程的rip的值存入pcb中。 $1f是一个特殊符号,标号1.个人理解就是当前程序的下一条指令的地址
- pushq %3\\n\\t:下一进程的ip入栈。ip的具体值既有可能使进程最开始的起点,也有可能使标号1
- ret\\n\\t:结合上一步,使ip值进入rip。前有,不赘述。
- 1:\\t:标号1是一个特殊的地址位置,该位置的地址是$1f
- popq %%rbp\\n\\t:将下一进程的堆栈基址从堆栈中取出,放入rbp中
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