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基于mykernel完成多进程的简单内核

作者：互联网

 本文基于mykernel完成了一个简单的时间片轮转多道程序内核。

一、实验内容

二、实验过程

首先，按照上面的实验内容，安装好QEMU，下载好Linux内核源码 Linux Kernel 3.9.4 source code和补丁mykernel_for_linux3.9.4sc.patch，依次按顺序操作，编译执行后，可以从qemu窗口中看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行（如下图所示）。

进一步，我们在此基础上完成时间片轮转的多道程序。

我们可以看到在当前mykernel下包含了mymain.c和myinterrupt.c两个源文件（如下图）。

接下来我们要写进程描述PCB和进程链表管理等代码，在此目录下新建并命名为mypcb.h文件。然后重新改写mymain.c和myinterrupt.c两个文件。（资源参照https://github.com/mengning/mykernel），然后退回上一级目录，重新编译，编译过程出现如下错误。将mypcb.h中第11行的# unsigned long改为/* unsigned long */，然后重新编译执行就行了。

执行结果如下，展示了process0-process3通过时间片轮转的方式就行切换的过程。

 

三、代码分析

现主要对时间片轮转多道程序的三个源程序代码进行分析。

1.mypcb.h

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

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 /* unsigned long */
/* 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);

定义了 Thread 结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp。

PCB结构体中的各个字段含义如下

pid:进程号

state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0

stack：进程使用的堆栈

thread：当前正在执行的线程信息

task_entry：进程入口函数

next：指向下一个PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。

这里还有一个函数的声明 my_schedule，它的实现在my_interrupt.c中，在mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。


2.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];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

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];
    /*fork more process */
    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];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    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*/
	);
} 

int i = 0;

void my_process(void)
{    
    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);
        }     
    }
}

系统启动后，最先调用my_start_kernel 函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。另外，在 my_process 也会检查一个全局标志变量 my_need_sched，一旦发现其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。0号线程的启动，采用了内联汇编代码完成，详细参见源码中的注释。

3.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 */
    {        
        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)
        ); 
    }  
    return;    
}

这里 my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，通知正在执行的进程执行调度程序my_schedule。在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种情况，一种情况是下一个进程没有被调度过，另外一种情况是下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。进程切换依然是通过内联汇编代码实现，无非是保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中，详见代码中的注释。

四、总结

Linux操作系统的正常工作可以说有三个非常重要的部分，就是我们的存储程序原理、堆栈以及中断的支持。 操作系统对进程的管理主要就是进程的管理和调度，我们为每个进程维护一个进程描述和以及进程间的关系。我们的内核的工作主要有两部分组成，首先运行有一个内核线程，然后就是一些中断处理程序的集合，我们在中断处理程序中要就行进程的调度。
Linux操作系统由内核来实现具体工作的，一个进程是通过系统调用fork（）函数来创建的，先是将先前CPU正在运行的进程的进程上下文保存在内核态堆栈中，包括有eip,esp,ebp,cs等寄存器的数据；然后加载创建的进程的上下文信息到相应的寄存器中，运行当前新建进程；运行完毕后根据系统的调度继续执行相应的进程。Linux操作系统是多进程的操作系统，不同的进程就是基于以上的方式有操作系统实现调度运行的。同时，操作系统以一种中断的机制实现与用户的交互。操作系统中的IDT描述好各个中断对应的处理程序，当发生相对应的中断时，由硬件来实现中断信号的传递，CPU接收到相应的IRQ信号后，由操作系统如调度进程那样调度相应的处理程序，来完成相应的中断请求，实现与用户的交互。

学号后三位137

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参考资料来源： https://github.com/mengning/linuxkernel/ 

标签：基于,task,pid,内核,进程,mykernel,include,my
来源： https://www.cnblogs.com/huang-t/p/10520125.html