基于mykernel完成多进程的简单内核

学号：476
实验资源：https://github.com/mengning/linuxkernel/

1、实验环境准备
使用个人电脑的parallels desktop ubuntu虚拟机
1）安装qemu
sudo apt-get install qemu
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
2）下载linux kernel 3.9.4源码以及my kernel补丁
由于在虚拟机直接联网下载速度较慢，直接在宿主机下载
3）解压源码并打补丁
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xvf linux-3.9.4.tar
cd linux-3.9.4
patch -p1 < …/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
4）编译内核代码

编译过程出现如下问题：

解决方案：

5）从qemu窗口看到mykernel在执行
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

6)关闭qemu窗口查看mymain.c和myinterrupt.c代码

mymain.c中有一个my_start_kernel函数，不断输出my_start_kernel here i

myinterrupt.c中有一个my_timer_handler函数输出>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<

结合之前的运行结果和两个函数，可以看出mykernel在启动之后会不断调用my_start_kernel函数，并且周期性的调用函数my_timer_handler。
所以当前环境已经实现了cpu运行c代码，并且具有中断处理的功能，现在只需要修改mymain.c和myinterrupt.c的代码就可以实现进程管理和切换。

2、实验内容
1）替换mykernel源码
从老师的github上下载了mymain.c、myinterrupt.c、mypcb.h替换原来mykernel中的文件： https://github.com/mengning/mykernel
2）重新编译
make clean删除原来的make file
make allnoconfig
make
编译之后再次使用qemu查看运行结果：

3）分析代码：
mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

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

void my_schedule(void);

这是一个描述数据结构定义的头文件
MAX_TASK_NUM定义了进程总数为四个，KERNEL_STACK_SIZE定义了每个进程分配的栈空间为2k，thread里面定义了进程被挂起时的一些状态，包含了程序计数器eip和栈顶指针esp，下面是结构体PCB定义了控制进程运行需要的一些属性，最后是进程调度函数的函数声明。

mymain.c

#include "mypcb.h"

tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

这里定义了系统中全部进程的控制信息，my_current_task是指向当前进程控制块的指针，my_need_sched表示调度状态，为1时表示要求内核进行一次进程切换。

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];

这里初始化了第一个进程控制块的信息，pid为0，进程状态为运行，进程的入口和程序计数器都指向my_process的入口，栈顶指针指向分配的栈空间的地址最高处，最后将下一个控制块的指针指向自己，形成只有一个进程的循环。

for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
	(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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];
    }

这一部分代码是对更多的进程控制块进行初始化，类似于第一个进程的初始化过程，但是是以链的形式连接起来的。

pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
	asm volatile(
    	"movl %1,%%esp\n\t" 	/* set task[pid].thread.sp to esp */
    	"pushl %1\n\t" 	        /* push ebp */
    	"pushl %0\n\t" 	        /* push task[pid].thread.ip */
    	"ret\n\t" 	            /* pop task[pid].thread.ip to eip */
    	: 
    	: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)	/* input c or d mean %ecx/%edx*/
	);
} 

当前运行进程指向0号进程，接下来的一部分汇编代码是将cpu转向第一个进程控制块的入口函数地址开始执行，即启动了系统。
movl %1，%%esp 将内存控制块中的esp的值赋给esp寄存器,即进程栈空间的最高地址赋给esp
pushl %1 再次访问我们的栈顶地址值，并将这个值保存到栈上；
pushl %0
ret
首先把内存控制块中的eip压入栈，然后用ret指令将该值从栈上弹出并赋值给eip寄存器，由此间接实现了改变程序计数器eip的功能，让我们的CPU跳转到指定的函数地址去执行。而这里我们修改的eip的值，是在初始化阶段设置的函数my_process函数入口地址。因此我们的内核通过上面的四句代码就可以实现进程栈指针初始化，并跳转到该进程的入口函数执行的功能了。

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);
        }     
    }
}

进程的入口函数实现的是将进程编号输出，每10000000进行一次输出并且检查全局调度的标志看是否需要进行进程切换，如果需要就调用my_schedule()函数，并输出切换后的进程号。

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;

引用外部进程块数组和当前运行进程指针，以及全局的调度标志

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;  	
}

中断处理函数会被系统时钟周期性的调用，每调用一次time_count就增加一，每增加1000就检查一次全局调度标志，如果不为1就设为1，这时my_process函数就会检测到，并且调用my_schedule函数。

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(	
        	"pushl %%ebp\n\t" 	    /* save ebp */
        	"movl %%esp,%0\n\t" 	/* save esp */
        	"movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
        	"movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */	
        	"pushl %3\n\t" 
        	"ret\n\t" 	            /* restore  eip */
        	"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
    {
        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" 	    /* 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" 
        	"ret\n\t" 	            /* restore  eip */
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	);          


    }  
    return;	
}

将当前运行进程指向下一个进程，如果下一个进程的运行状态为0，执行一段汇编代码：
asm volatile(
“pushl %%ebp\n\t” /* save ebp /
“movl %%esp,%0\n\t” / save esp /
“movl %2,%%esp\n\t” / restore esp /
“movl $1f,%1\n\t” / save eip /
“pushl %3\n\t”
“ret\n\t” / restore eip /
“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)
);

如果运行状态不为0，则运行另一段汇编代码：
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”
“ret\n\t” / restore eip */
: “=m” (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: “m” (next->thread.sp),“m” (next->thread.ip)
);

分析两段汇编代码：

将当前的ebp压栈；
将当前的esp值存入被换出的进程的现场状态变量thread.esp中；
将被换入进程的esp值加载到当前的esp寄存器中，也就是切换到被换入的进程的栈空间上去；
1f比较特殊，它其实是一条汇编指令，表示跳转到标号为1的行去继续执行，也就是这段代码的最后两行处，而这条汇编是保存到了被换出进程的保存现场的内存空间thread.eip中，也就是说，这条指令就是下一次prev的进程被换入时将跳转到的代码；
最后两句实现了将eip的值改换为新的进程的eip的值，从而使系统执行新的进程。

1f的作用也体现在了若该进程已经被切换过，当再次被切换的时候就直接从该段汇编代码的后最后两行开始执行，也就是“popl %%ebp”，即将栈上的值出栈并赋值给寄存器ebp，而这正是第一行中保存在栈中的ebp值。