基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核--课程实验1

一、配置mykernel 2.0　　

按照 https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，熟悉Linux内核的编译；
环境：VMware Workstation 15 pro ,Ubuntu 18.04.4 LTS;

1. 配置前先拍快照，保存当前状态备用。

2. 按照 https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0，执行以下命令。

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'
make -j$(nproc)
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

       执行完上述代码后，可以看到QEMU窗口中my_start_kernel进程周期性的调用my_handler_here方法，如下图所示。

        在Linux-5.3.34 内核源代码根目录下进入mykernel目录，可以看到QEMU窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c ，当前有一个虚拟的CPU执行C代码的上下文环境，可以看到 mymain.c 中的代码在不停地执行。同时有一个中断处理程序的上下文环境，周期性地产生的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码。这样就通过Linux内核代码模拟了一个具有时钟中断和C代码执行环境的硬件平台。

void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here  %d 
",i);
    }
}

        观察上述代码可知：每当 i 能够被 100000 整除 就输出 “my_start_kernel here” ，即相当于一个时钟信号。下面的代码就是进行处理时钟中断的。

void my_timer_handler(void)
{
    printk(KERN_NOTICE "
>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<

");
}

二、编写一个操作系统内核并简要分析

　　参照 https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码，基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核。
　　在 https://github.com/mengning/mykernel 中 下载 mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c文件，并拷贝到本机的 mykernel 目录下，并新增头文件mypcb.h，修改好文件后重新配置编译内核，并使用QEMU加载，结果如下图：

make allnoconfig
make 
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

　　观察可知上图中正在进行进程的切换：进程2 切换到 进程3，进程切换的关键代码是一段嵌入式汇编，最有技巧性的地方是通过pushq %rip和ret指令来间接修改%rip的值，从而更改代码执行流，再配合%rsp和%rbp的修改切换进程的工作栈，从而达到切换进程的目的。

　　简单分析：

　　首先在mykernel目录下增加一个mypcb.h 头文件，用来定义进程控制块PCB（Process Control Block），也就是进程结构体的定义，在Linux内核中是struct tast_struct结构体。

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 */
 
#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* 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 */
    char 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);

　　其中：pid表示进程号；state表示进程状态，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是进程使用的堆栈，栈大小为1024*8；task_entry为进程入口函数；*next：指向下一个PCB，此模拟系统中的PCB是以链表的形式组织起来的；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。

　　对mymain.c进行修改，初始化各个进程并启动0号进程，这里是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(void)函数。

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 */
 
#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].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];
    }
    /* 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*/
    );
}

　　进程调度为一个环形队列，每次创建新的进程时，都将该进程插入到队尾，然后将该进程指向第一个进程。

　　在mymain.c中添加了my_process函数，用来作为进程的代码模拟一个个进程，只是我们这里采用的是进程运行完一个时间片后主动让出CPU的方式（简单的时间片轮转方式的进程切换），没有采用中断的时机完成进程切换，因为中断机制实现起来较为复杂，等后续部分再逐渐深入。

void my_process(void)
{
    int i = 0;
    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);
        }
    }
}

　　进程运行过程中是怎么知道时间片消耗完了呢？这就需要时钟中断处理过程中记录时间片。对myinterrupt.c中修改my_timer_handler用来记录时间片。

/*
 *  linux/mykernel/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;

/*
 * Called by timer interrupt.
 */
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;
}

　　对myinterrupt.c进行修改，主要是增加了进程切换的代码my_schedule(void)函数，在Linux内核源代码中对应的是schedule(void)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<<<
");
    /* 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;
}

　　my_time_handler中断处理程序，该函数每隔1000 判断 my_need_sched 是否不等于1，如果是则将其置为1，使 myprocess 执行 my_schedule() 。my_schedule 函数在进程队列中选择下一个要执行的进程；对于处于不同状态的进程，调度方式也不同，如果即将上CPU的进程之前已经运行过(即state为0)，我们需要保存当前进程的上下文信息，然后把下一个进程的信息写入到寄存器中，执行 ret 使下一个进程开始执行。之前没有在运行态的(state不为0)，我们先将其设置为运行态，我们这里需要初始化其ebp，因为该进程的堆栈是空栈 。

参考资料：

1. https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/README.md

2. 计算机系统的基本工作原理

3. 自己动手写一个操作系统内核