Linux内核设计（第二周）——操作系统工作原理

Posted 2020-06-18 苏儿

Linux内核设计（第二周）——操作系统工作原理

by苏正生

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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、学习笔记总结

1.函数调用堆栈

（1）、函数调用堆栈。

堆栈是C语言程序运行时必须的一个记录调用路径和参数的空间。
cpu内部已经集成好的功能，pop，push，enter……

1. 函数调用构架

2. 传递参数，通过堆栈

3. 保存返回值，%eax

4. 提供局部变量空间
   ……

C语言编译器对堆栈的使用有一套自己的规则，功能相同，指令有区别。

（2）、深入理解函数调用堆栈

1. 堆栈相关的寄存器：

   %esp——堆栈指针
   %ebp——基址指针

2. 堆栈操作

   push——栈顶地址减少
   pop——相反

3. %ebp在C语言中用作记录当前函数调用基址

4. 其他关键寄存器
   CS：eip：总是指向下一条的指令地址
   顺序执行、跳转|分支（cs：eip的值会根据程序的需求更改）、call、ret、发生中断时。

5. 调用函数
   call指令：

（1） 将eip中下一条指令的地址A保存在栈顶；
（2） 设置eip指向被调用程序代码开始处。
ret（return）指令：将地址A恢复到eip中

（3）、传递参数与局部变量

方法：gcc-g生成可执行文件，用objdump -S获得反汇编文件。

2.利用Ｌｉｎｕｘ内核部分源代码分析存储程序计算机工作模型及时钟中断

（1）．ｍｙｋｅｒｎｅｌ实验平台涉及的思想

三大法宝：

1. 存储程序计算机

2. 函数调用堆栈

3. 中断

当中断发生时，由ＣＰＵ和内核代码共同实现了保存现场和恢复现场。
把ｅｉｐ指向中断处理程序的入口，保存现场。

二．利用ｍｙｋｅｒｎｅｌ实验模拟计算机硬件平台

1.实验过程

使用实验楼的虚拟机打开shell

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后cd mykernel 您可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c

mymain.c文件关键代码部分

myinterrupt.c文件关键代码部分

2.代码分析

（1）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PCB数组
tPCB * my_current_task = NULL;  //声明当前task指针 
volatile int my_need_sched = 0;  //是否需要调度标志

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;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;  /* 实际上是my_process*/
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];  // 定义堆栈的栈顶
    /*创建更多的子进程*/
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        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];
    }
    /* 从0号进程开始启动 */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\\n\\t"     /* 设置 esp 的值*/
        "pushl %1\\n\\t"          /* 将 ebp 压栈（此时esp=ebp）,%1相当于task[pid].thread.sp*/
        "pushl %0\\n\\t"          /* 将 eip 压栈，%0相当于task[pid].thread.ip*/
        "ret\\n\\t"               /* 相当于 eip 出栈 */
        "popl %%ebp\\n\\t"        /* 0号进程正是启动 */
        : 
        : "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);
        }     
    }
}

（2）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];
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)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    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 */
    {
        /* 进程切换跳转到下一进程 */
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp\\n\\t"       /* 保存当前ebp */
            "movl %%esp,%0\\n\\t"     /* 保存当前esp */
            "movl %2,%%esp\\n\\t"     /* 重新记录要跳转进程的 esp，%2为 next->thread.sp*/
            "movl $1f,%1\\n\\t"       /* 保存当前 eip ，%1为prev->thread.ip*/   
            "pushl %3\\n\\t" 
            "ret\\n\\t"               /* 记录要跳转进程的  eip，%3为 next->thread.ip*/
            "1:\\t"                  /* 下一个进程开始执行 */
            "popl %%ebp\\n\\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\\n",prev->pid,next->pid);      
    }
    else
    {
        next->state = 0;
        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"       /* 保存当前 ebp */
            "movl %%esp,%0\\n\\t"     /* 保存当前 esp */
            "movl %2,%%esp\\n\\t"     /* 重新记录要跳转进程的 esp ，%2为 next->thread.sp*/
            "movl %2,%%ebp\\n\\t"     /* 重新记录要跳转进程的  ebp，%2为 next->thread.sp */
            "movl $1f,%1\\n\\t"       /* 保存当前  eip ，%1为prev->thread.ip，%1f就是指标号1:的代码在内存中存储的地址*/   
            "pushl %3\\n\\t" 
            "ret\\n\\t"               /* 重新记录要跳转进程的  eip，%3为 next->thread.ip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
    return; 
}

#三、总结
本周从计算机操作系统对于程序的调用学起，结合了以前学习的汇编、C语言的知识，对于计算机内部对于中断的处理和进程切换有新的认识。有一些不明白的内容老师也在课堂上已经做出了详细的解答，很形象生动。本周因为一些个人因素进度有些太慢，这种情况应该有所规避，以后要改正。