基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
一. 实验要求
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按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；
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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
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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,
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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);
![]
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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:
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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；%0、%1...指这段汇编代码下⾯输⼊输出部分的编号。 -
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。 -
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 -
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。 -
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。