基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

实验内容:

1. 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译
2. 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
3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

1. 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch # 下载补丁文件
sudo apt install axel # 安装多线程下载工具
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz # 下载内核压缩包
xz -d linux-5.4.34.tar.xz # 解压文件
tar -xvf linux-5.4.34.tar # 解压文件
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch # 升级文件
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev # 安装必要的软件包
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc) # 编译
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage # 启动 qemu

逐行执行上述命令，便可配置好mykernel 2.0
执行完最后一条命令启动 qemu 后截图如下图所示，可以看到 my_start_kernel 在执行，同时 my_timer_handler 时钟中断处理程序周期性执行。
输出 my_start_kernel 的函数在文件 mykernel/mymain.c 中， 输出my_timer_handler 的函数在文件 mykernel/myinterrupt.c 中。

2. 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

添加 mypcb.h 头文件，规定了最大进程数（4），以及每个进程的栈空间大小
当进程被打断时，结构体 Thread 用来保存栈顶 sp 和下一条指令地址 ip
结构体 PCB 模拟进程控制块，存储进程相关的信息

/*
 *  linux/mykernel/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;     //进程号
    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;     //进程入口
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);

修改 mymain.c 文件如下
my_start_kernel()是 mykernel 内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。
在Linux内核源代码中，实际的内核入口是init/main.c中的start_kernel()函数。
my_process() 用来作为进程的代码模拟一个个进程，当进程运行完一个时间片后主动调用 my_process() 让出CPU。

/*
 *  linux/mykernel/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];
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].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
	" 	/* set task[pid].thread.sp to rsp */
    	"pushq %1
	" 	        /* push rbp */
    	"pushq %0
	" 	        /* push task[pid].thread.ip */
    	"ret
	" 	            /* 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 -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
        	    my_schedule();
        	}
        	printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

修改 myinterrupt.c 文件如下
my_timer_handler() 供时钟中断调用，每调用1000次即为一个时间片，即每过1000个时钟中断就要进行一次进程切换。
my_schedule() 进行进程切换，将当前进程的 ip 和 sp 保存到对应的 PCB 中，并从下一个进程的 PCB 中取出 ip 和 sp 放入寄存器，开始执行下一个进程。

/*
 *  linux/mykernel/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;

/*
 * 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<<<
");
        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<<<
");
    /* 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<<<
",prev->pid,next->pid);  
    	/* switch to next process */
    	asm volatile(	
        	"pushq %%rbp
	" 	    /* save rbp of prev */
        	"movq %%rsp,%0
	" 	/* save rsp of prev */
        	"movq %2,%%rsp
	"     /* restore  rsp of next */
        	"movq $1f,%1
	"       /* save rip of prev */	
        	"pushq %3
	" 
        	"ret
	" 	            /* restore  rip of next */
        	"1:	"                  /* next process start here */
        	"popq %%rbp
	"
        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
    	); 
    }  
    return;	
}

修改代码后重新编译，启动虚拟机，可以看到进程的切换
总共有四个 pid 分别为 0、1、2、3 的进程在循环切换，当前截图看到的是进程 2 到进程 3 的切换。

3. 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制

核心功能：进程切换和时钟中断
工作机制：每次时钟中断变量 time_count 加 1，time_count 每增加 1000，将变量 my_need_sched 置 1，即通知当前进程时间片用完，需要进行进程切换。
当前进程将变量 my_need_sched 重新置 0 后调用 my_need_sched() 进行进程切换。