基于mykernel2.0编写一个操作系统内核

Posted 2020-12-19 逆凡

1.在ubantu配置实验环境：

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch（直接从GitHub拿，使用wget有可能失败）
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

　　当出现以下窗口就配置成功了：

2.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）

上面第一步已经将环境搭建好了，现在只需要在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?个可运?的?OS kernel。

如何实现一个拥有进程切换功能的OS kernel：

1.使用Github中的mymain.c和myinterrupt.c文件内容替换掉mykernel中的mymain.c和myinterrupt.c文件内容。然后通过touch命令新建mypcb.h文件，将Github中mypcb.h文件内容写入新建的mypcb.h文件。

2.通过make指令重新编译文件

3.然后重新执行命令qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行结果如下：四个线程相互切换

3.简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

首先分析一下mypcb.h文件

#define MAX_TASK_NUM        4       //进程数
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2  //定义栈的大小<br>
struct Thread {
    unsigned long       ip;
    unsigned long       sp;
};<br>
typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    struct Thread thread;
    unsigned long   task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;
 
void my_schedule(void);

结构体Thread ：用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp

结构体PCB：（模拟进程控制块）

pid：进程号

state：进程状态，-1代表阻塞态，0代表可运行态，>0代表暂停状态

stack：进程使用的堆栈

thread：当前正在执行的线程信息（thread.ip和thread.sp）

task_entry：存储进程入口函数地址(本实验中为my_process函数)

next：指向下一个PCB，系统中所有的PCB是以环形链表的形式连接起来的。

然后看一下mymain.c文件

#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 = 0void 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
	"     /* set task[pid].thread.sp to rsp */
        "pushq %1
	"             /* push rbp */
        "pushq %0
	"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret
	"                 /* 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 -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

分析：首先初始化所有进程，定义my_current_task指针指向当前进程，定义全局变量my_need_sched = 0负责进程调度。

void __init my_start_kernel(void)函数是mykernel内核代码的??，负责初始化内核的各个组成部分。在Linux内核源代码中，实际的内核??是init/main.c中的start_kernel(void)函数。

首先pid=0，代表进程号为0的进程，在本实验中就是第一个进程。初始化进程task[0]的所有信息，值得一提的是，task[0]的next指针一开始指向的正是自己。

接下来的for循环用来构建进程环形链表。构建完毕后开始执行第一个进程，关于如何启动第一个进程的，关键代码分析如下：

asm volatile(
    "movq %1,%%rsp
	"     /* 将进程原堆栈栈顶的地址存?RSP寄存器 */
    "pushq %1
	"          /* 将当前RBP寄存器值压栈 */
    "pushq %0
	"         /* 将当前进程的RIP压栈 */
    "ret
	"              /* ret命令正好可以让压栈的进程RIP保存到RIP寄存器中 */
    :
    : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);

ret命令执行后，RIP寄存器中就得到了my_process(void)函数的进入地址（task[0].thread.ip），开始执行my_process(void)函数，这样就完成了进程0的启动。

在my_process函数的while循环里面可见，会不断检测全局变量my_need_sched的值，当my_need_sched的值从0变成1的时候，就需要发生进程调度，全局变量my_need_sched重新置为0，执行my_schedule()函数进行进程切换。
最后看一下具体的进程切换过程代码myinterrupt.c

#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;
 
void my_timer_handler(void)
{
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        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<<<
");
    /* 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); 
        /* switch to next process */
        asm volatile(  
            "pushq %%rbp
	"       /* save rbp of prev */
            "movq %%rsp,%0
	"     /* save rsp of prev */
            "movq %2,%%rsp
	"     /* restore  rsp of next */
            "movq $1f,%1
	"       /* save rip of prev */ 
            "pushq %3
	"
            "ret
	"               /* restore  rip of next */
            "1:	"                  /* next process start here */
            "popq %%rbp
	"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    } 
    return;
}

分析：首先通过extern申明在mymain.c文件中已经定义过的变量task[MAX_TASK_NUM]、my_current_task和my_need_sched。定义全局变量time_count用来进行时间片计数。

然后我们需要明确myinterrupt.c中的my_timer_handler(void)函数什么时候会执行？

由于cpu（指本实验中我们虚拟的cpu）会周期性地产?的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码，这个时候my_timer_handler(void)函数就会被调用。

从my_timer_handler(void)函数代码可知，当这个函数每被调用1000次时，会把全局变量my_need_sched的值置为1，这样mymain.c中的my_process()函数就会检测到my_need_sched的值发生变化，从而调用my_schedule()函数进行进程切换。

最后分析my_schedule(void)函数，当检测到下一个进程的state是0（代表可运行）时，就会把my_current_task指针指向下一个进程，打印switch切换信息，然后执行进程切换操作。（关键代码如下）

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

　　

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；

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；

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

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

pushq %3 ：把即将执?的next进程的指令地址next->thread.ip?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?次被执?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?过那么它就?定曾经也作为prev进程被进程切换过。

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

1: 标号1是?个特殊的地址位置，该位置的地址是$1f。

popq %%rbp ：将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。

自此，就完成了进程0与进程1的切换，其他两个相邻进程的切换过程也和这个相同。