Linux内核分析作业 NO.2

Posted 2020-06-18

操作系统是如何工作的

于佳心 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 

 

本章所学内容主要围绕着三个方面。

1.函数调用堆栈

2.中断机制

3.mykernel上实际操作构建内核

 

操作系统的三个法宝指的是:存储程序计算机，函数调用堆栈，中断机制

 

其中函数调用堆栈是高级语言的起点，它的作用是记录调用路径和参数（调用框架，传递参数，保存返回地址，提供局部变量空间）

这里涉及到了esp，ebp两个相关寄存器，以及push、pop、call、ret寄存器，还有cs代码段寄存器及总是指向下一条指令地址的eip，这些内容在上一周的学习过程中都详细了解过了，所以在这里就不多讲了

我们还学到了调用框架的固定格式

建立框架：

pushl %ebp
movl %esp，%ebp

拆除框架：

movl %ebp，%esp
popl %ebp
ret

它们的中间便是call要调用的内容

 

关于另一个“法宝”——中断，我对它非常陌生。发生中断的原因是cpu内部做了工作，中断的出现来源于多道程序设计的出现，CPU把寄存器们压到一个叫内核的堆栈，把EIP指向中断处理程序的入口，保存现场。CPU和内核程序共同实现了保存现场和恢复现场。

课程中我们主要分析了周期性的时间中断，即内核时间片轮转。

 

另一个重要的东西是C代码中嵌入汇编代码——内嵌汇编语法

 

asm（

         汇编语句模板；

         输出部分；

         输入部分；

         破坏描述部分）；

 

在前面如果需要可以加上volatile，这是指编译器不优化，后面的指令保持原样

在转移的过程中会遇到好多限定符，在此不详述。

操作系统除了“三大法宝”之外，还有“两把剑"——中断上下文切换和进程上下文切换

 

在试验中，输入要求的代码来运行初始程序

结果如下：

为何会出现这个结果呢？我们来看系统中的代码

我们可以看到图中有两个c程序，myinterrupt.c（时钟中断处理程序）和mymain.c（系统中唯一的一个进程）

我们先来看mymain.c中的内容

这个函数是操作系统的入口（在此之前的代码都是将操作系统初始化），每循环100000次，打印一个”my_start_kernel"。

再看myinterrupt.c

这是时间中断处理程序，每次时钟中断一次都调用一次上图的语句，在中断发生时进行中断处理动作

 

这是一个最简单直接的中断处理程序了，接下来我们来看一个更复杂的例子

 

mypcd.h

定义一个进程控制块

（程序中//的注释是自己加的，*/的注释是代码自带的，后面的代码都是）

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {                                 //Thread用于存储eip和esp
    unsigned long        ip;
    unsigned long        sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;                                    //pid：进程的状态
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];              //定义内核堆栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long    task_entry;                //定义入口
    struct PCB *next;                           //把进程用一个链表链起来
}tPCB;

void my_schedule(void);                         //调度器

 

mymain.c

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  Copyright (C) 2013  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];                       //声明一个数组（task是数组）
tPCB * my_current_task = NULL;                 //声明当前task的一个指针
volatile int my_need_sched = 0;                //是否需要调度的标识

void my_process(void);


void __init my_start_kernel(void)              //初始化
{
    int pid = 0;                               //先初始化0号进程
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */                          //状态：正在运行
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;                  //入口：my_process
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];              //栈顶：之前定义的stack
    task[pid].next = &task[pid];                                                             //指向它自己
    /*fork more process */                                                                   //初始化更多的进程
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)                                                              //共有MAX_TASK_NUM个进程
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));                                              //复制了0号进程的状态
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];              //每个进程都有自己的堆栈
        task[i].next = task[i-1].next;                                                       //指向下一个进程
        task[i-1].next = &task[i];                                                           //将新进程加到进程列表的尾部
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;                                                                                 //从0号进程开始运行
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(                                                                            //嵌入的汇编代码，构建了cpu的运行环境，0号进程设立的堆栈和0号                                                                                               进程的入口
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */                         //将第一号参数放入栈顶
        "pushl %1\n\t"             /* push ebp */                                            //pushl %ebp（现在栈是空的，esp==ebp）
        "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */                            //将eip压栈
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */                       //pop eip，此后0号进程正式启动
        "popl %%ebp\n\t"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/      //这里是第0号参数和第1号参数
    );
}   
void my_process(void)                                                                            //有主动调度的机制
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);                   //循环100000次有一次机会判断是否需要调度，调度完继续执行
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

 

myinterrupt.c

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  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];                          //全局变量
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;                             //时间计数

/*
 * 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 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;                                  //发现my_need_sched==1，就会调度一次，执行my_schedule
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    return;      
}

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;

    if(my_current_task == NULL                            //出错处理，NULL说明有问题
        || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;                       //将当前进程的下一个进程赋给next
    prev = my_current_task;                             //将当前进程赋给prev
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */                          //判定：如果下一个进程正在执行，就用下面的汇编代码切换进程
                                                                                               （进程间上下文的切换）

    {
        /* switch to next process */
        asm volatile(                                                                     //进程上下文切换的关键代码
            "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */                                      //保存当前进程的ebp
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */                                        //将当前进程的esp赋给0
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */                                    //将下一进程的esp放到esp里面
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */                                        //保存eip
            "pushl %3\n\t"                                                                //push下一进程的eip
            "ret\n\t"                 /* restore  eip */                                  //下一个进程开始执行
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)                             //0,1
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)                               //2,3
        ); 
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);       
    }
    else                                                                               //这个进程是新的从未执行过
    {
        next->state = 0;                                                               //置为运行时状态
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */                                   //保存ebp
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */                                     //保存esp在当前程序的esp里
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */                                 //将下一个进程的esp保存到esp里
            "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */                                 //将下一个进程的ebp保存到ebp里（栈是空的
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */                                     //将eip保存起来
            "pushl %3\n\t"                                                             //将当前进程的入口保存起来
            "ret\n\t"                 /* restore  eip */ 
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)                            //0，1
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)                              //2，3
        );           
    }   
    return;    
}

 

总结：

操作系统是如何工作的：我认为，操作系统的工作离不开“三大法宝和”两把剑“

三大法宝中，存储程序计算机便是冯诺依曼体系结构，自不必说；函数调用堆栈记录了函数调用路径和参数，保存返回地址和临时需要用到的参数，提供局部变量空间；中断是为了多道程序设计的，当有多个程序需要执行时，每次执行的只能是一个程序，所以需要中断来调节，我们在这一章介绍的是时钟中断，即是否调用中断处理程序的判定是由时间来决定的，如果需要处理，CPU便将寄存器压入内核，将eip指向中断处理程序的入口。

两把剑中，中断上下文切换就是保护现场和恢复现场，而进程上下文的切换则决定了进程的执行顺序，在上面都有可执行的代码，所以就不仔细讲了

这一次学的东西比上一次难多了，比如说，那个分析代码的视频我就看了至少三遍才懂，而且也并没有完全理解透彻，想到以后的课程也许会更难，有点害怕。

学校网不好，实验楼总是卡，但是如果用自己的虚拟机调配环境可能也要花好长时间，所以就非常缓慢的做了实验，其实感觉实验只是对所学课程的一个复习，这样挺好的，可以发现一些自己以为会了的东西其实不会。

没什么可说的了，求大家高抬贵手。