《Linux内核原理与分析》第三周作业
一.上周问题总结：
- 第二周头脑风暴完成较慢
- 虚拟机libc配置错误
- 书本知识使用不够熟练
二.本周学习内容：
1.实验楼环境虚拟一个x86的CPU硬件平台
在该环境下输入如下命令：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
实践截图如下：
QEMU窗口截图如下：
查看mymain.c：
查看myinterrupt.c：
2.实验楼环境完成一个简单的时间片轮转机制内核：
代码如下：
#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);
mymain.c代码如下：
#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) #进入内核入口，初始化进程各参数
{
int pid = 0; #初始化0号进程
int i;
/* Initialize process 0*/
task[pid].pid = pid; #设置进程id
task[pid].state = 0; #设置进程状态为0
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process; #设置进程入口
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; #设置ESP指向栈顶
task[pid].next = &task[pid]; #设置堆栈指针指向当前堆栈
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++) #复制进程信息，并将其加入进程列表尾部
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); #设置当前任务
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]; #加入进程列表尾部
}
/* start process 0 by task[0] */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
asm volatile(
"movl %1,%%esp
" #将task[pid].thread.sp移入ESP
"pushl %1
" #将EBP入栈
"pushl %0
" #将task[pid].thread.ip入栈
"ret
" #将task[pid].thread.ip返回赋入eip
"popl %%ebp
" #将ebp压出栈
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) #设置ecx和edx存储不同参数
);
}
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0) #每计数10000000，会输出this is process 和当前进程任务号
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
if(my_need_sched == 1)
#判断是否需要切换进程,1需要切换，将状态值赋为0，并执行my_schedule(), 0不需要切换
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid); #输出this is process 和当前进程任务号
}
}
}
myinterrupt.c代码如下：
#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;
#时钟中断程序
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
#如果时钟计数可以整出1000，且不需要切换进程，打印输出my_timer_handler here,并切换状态
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}
void my_schedule(void)
{
tPCB * next;
tPCB * prev;
if(my_current_task == NULL #如果当前和下一个进程列表为空，则返回空结束
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<
");
/* schedule */
next = my_current_task->next; #用指针next指向下一个进程
prev = my_current_task; #用指针prev指向当前进程
if(next->state == 0) #判断下一进程曾执行过
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushl %%ebp
" # 将ebp入栈保存
"movl %%esp,%0
" #保存当前进程ESP到PCB
"movl %2,%%esp
" #将next进程的栈顶地址存入ESP
"movl $1f,%1
" #保存当前EIP寄存器值到PCB
"pushl %3
" #把下一个进程代码入口地址入栈
"ret
" #出栈进程的代码入口地址返回到EIP寄存器
"1: " #标号1，即next进程开始执行的位置
"popl %%ebp
" #恢复EBP寄存器的值
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
#将当前和下一个进程栈顶地址和ip地址存入内存寄存器中，并根据变量%0%1%2%3命名
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
else #判断下一进程未执行过
{
next->state = 0;
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
asm volatile(
"pushl %%ebp
" #保存当前进程EBP到堆栈
"movl %%esp,%0
" #保存当前进程ESP到PCB
"movl %2,%%esp
" #将next进程的栈顶地址保存到ESP寄存器
"movl %2,%%ebp
" #将next进程的堆栈基地址保存到EBP寄存器
"movl $1f,%1
" #将当前EIP寄存器值存到PCB，标号为1
"pushl %3
" #把下一个进程入口地址入栈
"ret
" #将出栈进程的代码入口地址存到EIP寄存器
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
3.操作系统的工作原理：
计算机三个法宝（3个关键性的方法机制）：存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制
3.1 堆栈：
在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，堆栈是一种数据结构。堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
堆栈作用：
- 记录函数调用框架
- 传递函数参数
- 保存返回值的地址
- 提供函数内部局部变量的存储空间
- ESP：堆栈指针
- EBP：基址指针
堆栈操作： - push：栈顶地址减少4个字节，并将操作数放进栈顶存储单元
- pop：栈顶地址增加4个字节，并将栈顶存储单元的内容放入操作数
其他关键寄存器：
- CS:EIP：总是指向地址连续的下一条指令
- 跳转/分支：执行这样的命令时，CS:EIP的值会根据程序需要被修改
- call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
- ret：从栈顶弹出原来保存在这里CS:EIP的值，放入CS:EIP中
3.2 中断
中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
中断分类：
- 硬件中断（Hardware Interrupt）
- 可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
- 非可屏蔽中断（non-maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。
- 处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。
- 伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题
- 软件中断（Software Interrupt）。是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态（Kernel Mode/Ring 0）的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。
中断作用：
- 提高计算机系统效率。计算机系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时，由外围设备向处理机发出中断请求，处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时，处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态
- 维持系统可靠正常工作。现代计算机中，程序员不能直接干预和操纵机器，必须通过中断系统向操作系统发出请求，由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中，如出现越界访问，有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生，由存储管理部件进行监测，一旦发生越界访问，向处理机发出中断请求，处理机立即采取保护措施。
- 满足实时处理要求。在实时系统中，各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求，处理机随时响应并进行处理。
- 提供故障现场处理手段。处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件，一旦发现故障或错误，立即发出中断请求，进行故障现场记录和隔离，为进一步处理提供必要的依据。
三.总结与疑难
本次Linux学习主要学习了计算机的三大法宝，清楚它们各自的作用是什么。并且对C语言内嵌入汇编代码有了一定的了解，但距离自己编写代码还需要很长的时间来学习。
QUSTION：
- 对于进程的切换还不够熟练。
四.下周计划
- [ ] 完成书本上的课后习题
- [ ] 自己尝试编写代码
2019 年 09月 29日