一个简单的时间片轮转内核代码的分析（课程作业）

Posted 2020-06-18 ceibaf

高参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

进程之间的切换通过定时器的中断来实现的，在一个进程的时间片时间长短又中断程序控制，在一个进程的时间片用完时中断发生切换到下一个进程。mykernel程序有mypcb.h，mymain.c和myinterrupt.c，mymain.c包含多个进程运行的函数，myinerrupt.c中有中断的函数。

1.mypcb.h文件

定义了两个进本的数据结构两个结构体，Thead和PCB（进程控制块），进程的数量MAX_TASK_NUM，栈大小KERNEL_STACK_SIZE

struct Thread {
     unsigned long        ip;
     unsigned long        sp;
 };

 

typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long    task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

void my_schedule(void);

2. mymain.c

#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task数组
tPCB * my_current_task = NULL;     //声明一个进程控制块指针
volatile int my_need_sched = 0;    //设置调度标识符

void my_process(void);           


void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;  
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;     //初始化进程pid为0.
    task[pid].state = 0;     //初始化0号进程状态为运行
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;                //初始化程序入口为，my_process
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; //初始化堆栈栈顶，esp指向栈顶。
    task[pid].next = &task[pid];  //初始时系统只有一个进程，所以自己指向自己。
    /*创建更多的进程*/
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); //将0号进程的状态copy给i号进程
        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];
    }
    /* 开始执行0号进程*/
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* 将task[pid].thread.sp赋给esp */
        "pushl %1\n\t"             /* 因为当前栈为空，所以esp=ebp，因此此步为push ebp*/
        "pushl %0\n\t"             /* 将当前eip压栈*/
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
        "popl %%ebp\n\t"        //pop ebp
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}   //这段汇编代码完成了该进程运行的堆栈环境的初始化

my_start_kernel函数首先初始化进程0，pid是每个进程的进程号。state表示运行状态。Thread的ip就是进程入口点，其实就是进程运行的起点。sp实际上是定义了一段进程的栈空间。最后定义了下一个PCB的链接先指向自己    第二部分，是根据第一个进程0初始化余下的进程。这里使用了内联汇编编程，实际上就是将进程0的thread.sp的值赋给esp，将当前运行的地址保存到栈中，这样如果切换的话就可以保证下一个进程结束时回到原来的位置执行。

 

void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)//循环1000万次判断是否需要调度
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)  
            {
                my_need_sched = 0;  //将进程调度标识符置0
                my_schedule();     //调度下一个进程
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

 

my_schedule()函数用来切换进程，在myinterrupt.c中实现的。

3. 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;   //时钟计数

/*
 * 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)//时钟终端1000次，且调度标识符不为1时输出提示，且将调度标识符变为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)//当当前进程为空或当前下一个进程为空则返回。
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)//判断下一个进程是否为正在执行状态
    {
        /* switch to next process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp\n\t"         //保存当前进程的ebp
            "movl %%esp,%0\n\t"     //将当前进程的esp保存在prev->thread.sp中
            "movl %2,%%esp\n\t"     //将下一个进程的esp（next->thread.sp）放在esp中
            "movl $1f,%1\n\t"       //将1:标志处的内存地址保存在prev->thread.ip中
            "pushl %3\n\t"        //将下一个进程的eip放入栈中
            "ret\n\t"                 //释放下一个进程的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)
            : "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    //对于还没有执行过的进程的处理
    {
        next->state = 0;  //将进程状态转为执行状态
        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 */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
            "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
            "pushl %3\n\t"      //保存将当前进程的入口
            "ret\n\t"                 /* restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
    return;   

 

首先初始化next和prev两个PCB结构。当下一个进程的state状态是可运行时，说明这个进程之前已经在运行了，可以继续执行，就切换到下一个进程，内联汇编，实现了保存栈地址和栈指针，用来保存进程的上下文。