基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
作者:互联网
实验目的:
- 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0,熟悉Linux内核的编译;
- 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核,参照https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码
- 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
实验说明:
为了研究操作系统如何工作起来的,我们虚拟一个x86-64的CPU,然后使用Linux内核源代码把虚拟CPU配置好时钟中断和程序入口。
这次实验中我们用到的Linux内核是老师的mykernel,基于mykernel虚拟⼀个x86-64的CPU硬件平台模拟了时钟中断,每隔⼀段时间,发⽣⼀次时钟中断。但是这次实验我们要完成的是在mymain.c的基础上写一个进程调用的过程。
实验环境:
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch sudo apt install axel axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz xz -d linux-5.4.34.tar.xz tar -xvf linux-5.4.34.tar cd linux-5.4.34 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig' # 使用allnoconfig编译出来qemu无法加载启动,不知道为什么?有明白的告诉我,完整编译太慢了,消耗的资源也多。 make -j$(nproc) # 编译的时间比较久哦 sudo apt install qemu # install QEMU qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
按照上面的步骤一步步来,在执行了最后一条命令后,会弹出如下一个窗口,可以看到mymain.c的代码在不停的执行的同时,会有一个周期性的时钟中断信号来触发myinterrupt.c的代码。
分析内核代码:
既然要内核控制进程,那就要为进程设计一个数据结构来存储进程的信息,如下是PCB(进程控制块)的定义:
#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);
进程控制块中包含的信息有进程的id,状态,函数调用栈,代码入口,一个结构体来存放sp(栈顶),ip(指令寄存器)信息,还有一个next指针来指定下一个进程,利用这个指针把进程连成链表,容易管理。
接着分析mykernel内核代码如何在my_start_kernel中处理PCB的:
#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]; # 栈顶在 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].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( "movq %1,%%rsp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to rsp */ "pushq %1\n\t" /* push rbp */ "pushq %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip,这里是为了配合ret的执行,因为我们无法直接修改rip的值,只能依靠ret命令来对rip赋值 */ "ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to rip */ : : "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); } } }
首先初始化了0号进程,并且把该进程的要执行的代码入口设置为函数my_process(),这里要注意task[pid].thread.ip,这个值之后会被放到指令寄存器中,从而开始运行内核代码。此后又fork了4个进程,使用memcpy函数,直接将0号进程中存储的数据赋给这4个进程,随后覆盖掉进程号和sp的值,再利用一个trick将这几个进程连成链表。内嵌的汇编代码的作用是:
- 把存放在PCB中的sp值赋给rsp寄存器
- 把sp值入栈
- ip值入栈
- 利用ret,把上面的ip值弹出到rip寄存器中
- 开始执行my_process()
这里的my_process()中有个判断my_need_sched值的判断,我看没有在这份代码中找到修改这个值的地方,这时要想到之前说过的时钟中断,接着我们来看my_interrupt.c这份代码。
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(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) { printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n"); my_need_sched = 1; } time_count ++ ; 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( "pushq %%rbp\n\t" /* save rbp of prev */ "movq %%rsp,%0\n\t" /* save rsp of prev */ "movq %2,%%rsp\n\t" /* restore rsp of next */ "movq $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */ "pushq %3\n\t" "ret\n\t" /* restore rip of next */ "1:\t" /* next process start here */ "popq %%rbp\n\t" : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); } return; }
在文章开始的地方提过my_timer_hander()会在时钟中断时执行,我们在时钟中断的时候将my_need_sched值赋为1,在my_process()中判断条件为真后,执行了my_schedule()进程切换函数。这里的内嵌汇编代码的作用为:
- 保存前一个进程rbp的值到前一个进程的堆栈中
- 把前一个进程的rsp的值存到该进程的PCB中
- 从后一个进程的PCB中取出rsp的值赋给rsp寄存器,意味着此时的堆栈已经换成了后一个进程的了
- 使用魔法数字把此时rip寄存器中的值存到前一个进程的PCB中
- 从后一个进程的PCB中取出rip的值存到栈中
- 利用ret,把上面rip的值赋给rip寄存器
- 后一个进程开始执行
- 把后一个进程的堆栈中存放的后一个进程rbp的值弹出到rbp寄存器中
运行截图如下
标签:task,process,pid,next,内核,进程,mykernel,2.0,my 来源: https://www.cnblogs.com/cyh2czj/p/12873322.html