基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

Posted 2020-12-12 yizhan-eventually

一、实验步骤及过程

1.下载Linux内核并进行配置、运行：

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch（这一步从群里下载直接复制过来即可）
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

2.模拟器运行结果：

看到QEMU窗?输出的内容的代码 ，有?个虚拟的CPU执?C代码的上下?环境，看到mymain.c中的代码在不停地执?。同时有?个中断处理程序的上下?环境，，能够触发myinterrupt.c中的代码。这样就通过Linux内核代码模拟实现了?个具有时钟中断和C代码执?环境的硬件平台。

打开mymain.c以及myinterrupt.c文件，可以看到：mymain.c中有一个死循环，不断输出my_start_kernel here，myinterrupt.c中则不断输出时钟中断"my_timer_handler here"，根据之前qemu的运行结果，可以看出进程和时钟中断不断的交替运行

现在我们要做的就是写一个自己的进程控制块以及调度算法。

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

第一步：

?先在mykernel?录下增加?个 mypcb.h头?件，

定义Thread结构体，其中包括指令指针ip和堆栈指针sp。

定义结构体变量PCB用来描述进程的各个参数。

声明调度函数my_schedule.

/*定义最大进程数*/
#define MAX_TASK_NUM        4
/*定义了堆栈空间大小 */
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* CPU-specific state of this task 
定义了一个结构体用来保存当前ip和sp */
struct Thread {
    unsigned long        ip;
    unsigned long        sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid; /* 进程号*/
    volatile long state;    /* 进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; /* 内存堆栈大小 */
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread; /* 上述结构体 */
    unsigned long    task_entry; /* 程序入口 */
    struct PCB *next; /* 链表，将进程控制块串联起来 */
}tPCB;

void my_schedule(void); /* 声明进程调度函数 */

在mymain.c中修改my_start_kernel函数

#include "mypcb.h"


tPCB task[MAX_TASK_NUM]; //进程队列
tPCB * my_current_task = NULL; //当前进程
volatile int my_need_sched = 0;//进程调度标志


void my_process(void);


void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* 初始化0号进程 */
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;/* 0号进程运行 */
    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];
    /*创建更多进程*/
    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
	"  /* 将当前进程的栈顶指针sp值赋值给rsp寄存器中*/
        "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*/
    );
}

void my_process(void)
{
    int i = 0;
    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);
        }
    }
}

修改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.
*/
/* void my_timer_handler(void)
{
pr_notice("
>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

");
}
*/

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;
}

创建一个0号的进程，然后用一个for循环创建了3个进程，并用链表连起来。

这段代码还对寄存器EIP，EBP，ESP进行初始化，先将堆栈指针sp赋给了ESP寄存器，然后将堆栈指针sp内容压栈，之后将指令指针ip的内容也压栈，下一条指令是ret，它是将当前栈中ESP所指的内容出栈到EIP中，当前ESP所指的内容就是前一条指令压栈进去的ip的值，现在使得EIP寄存器的内容就是进程0的入口地址（ip内容），从而使得进程0能够被执行。

 

运行结果：