基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

Posted 2020-12-20 zhouzhouL

一、配置mykernel 2.0,熟悉Linux内核的编译

　　在ubuntu下运行如下命令　

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\'
make -j$(nproc)
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

　　执行成功后，会跳出如下界面， 从qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在执行， 同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行

　　

 

 

 

二、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

　　在mymain.c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，实现一个小的可运行的操作系统内核

　　参考:  https://github.com/mengning/mykernel

　　将git上提供的mymain.c和myinterrupt.c替换掉本地的文件内容, 再添加一个mypcb.h文件，定义进程控制块管理进程， 完成后执行make命令重新编译，

　　

　　再执行qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage命令即可

　　

 

 

 

三、操作系统内核核心功能及运行工作机制

　　操作系统核心功能主要有:   进程管理， 设备管理，文件管理，处理器管理，存储器管理，

　　本次实验更深入了解进程结构以及进程切换机制

　　分析如下代码，理解进程切换运行工作机制:

/* linux/mykernel/mymain.c 
* Kernel internal my_start_kernel 
* Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26 
* Copyright (C) 2013, 2020 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)　　// mykernel内核代码的⼊⼝
{
    int pid = 0;　　// 初始进程时进程号为0的进程
    int i;
　　 // 初始化该进程的信息
    /* 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];
　　 // 构建进程的循环单链表，将各个进程连接起来
    /*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];
　　// 插入编译代码，启动首进程
    asm volatile(
　　　　  // 将初始进场的堆栈栈顶地址放入rsp寄存器里
        "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);
　　　　　　　// 检测my_need_sched， 当变为1时，做进程切换
　　　　　　　　if(my_need_sched == 1) { 
　　　　　　　　　　my_need_sched = 0; 
　　　　　　　　　　my_schedule(); 
　　　　　　　　} 　　　　
　　　　　　　　printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\\n",my_current_task->pid); 
　　　　} 
　　} 
}

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *  Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26
 *
 *  Copyright (C) 2013, 2020  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)　　// 时钟中断处理函数
{
    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)　　　　// 进程切换处理函数
{
    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;　　 // 下一个要进程
    prev = my_current_task;　　　　　　// 指向当前进程
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */　　// 判断下一个进程的状态是否为可执行
    {        
        my_current_task = next; 　　// 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\\n",prev->pid,next->pid); 
　　　　　// 插入编译代码， 进行进程上下文的切换 
        /* switch to next process */
        asm volatile(    
　　　　　　  // 保存上一个进程的rbp和rsp
            "pushq %%rbp\\n\\t"         /* save rbp of prev */　　
            "movq %%rsp,%0\\n\\t"     /* save rsp of prev */
　　　　　　　　// rsp指向next->thread.sp下一个进程栈
            "movq %2,%%rsp\\n\\t"     /* restore  rsp of next */
　　　　　　　　// 保存上一个进程的rip
            "movq $1f,%1\\n\\t"       /* save rip of prev */  
　　　　　　　 // 当前rip指向下一个进程的地址
            "pushq %3\\n\\t" 
            "ret\\n\\t"                /* restore  rip of next */
　　　　　　　　// rbp指向下一个进程的栈底
            "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;    
}

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *  Kernel internal PCB types
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 */
#define MAX_TASK_NUM        4　　　　　　　// 进程数量
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2　　　　// 栈大小
/* 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 */  // 当前进程状态
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];　　
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;　　// 线程
    unsigned long    task_entry;　　// 进程下执行的线程
    struct PCB *next;　　　　　　　　 // 下一个PCB， 所有进程的PCB以链表结构相连
}tPCB;
void my_schedule(void);