2018-2019-1 20189204《Linux内核原理与分析》第三周作业

OS是如何工作的

学习任务：

阅读学习教材「庖丁解牛Linux 」第2章
学习蓝墨云班课中第三周视频「操作系统是如何工作的？」，并完成实验楼上配套实验二。

云班课学习笔记：

计算机三大法宝

• 程序存储计算机 即冯诺依曼体系结构
• 函数调用堆栈 高级语言可以运行的起点就是函数调用堆栈
• 中断机制

深入理解函数调用堆栈

• 堆栈的功能
  • 记录函数调用的框架
  • 传递函数参数
  • 保存返回值地址
  • 提供函数内部局部变量的存储空间
• 堆栈相关的寄存器
  • ESP：堆栈栈顶指针
  • EBP：堆栈栈底指针
• 典型的堆栈操作——Push和Pop
  push和pop均是由两条指令组合而成的操作，压栈push，esp减少4个字节，所以是sub和mov的复合操作；pop增加四个字节，所以是add和mov的复合操作。
• 其他关键寄存器
  • CS:EIP 总是指向下一条指令地址 CS（Code Segment）是代码段寄存器 EIP是指向下一条指令的地址
  • call：将CS:EIP压入栈顶，随后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的CS:EIP的值，放入CS:EIP中

函数调用堆栈框架

C语言中内嵌汇编语言的写法

内嵌汇编的语法：
    _asm_ _volatile_ (
                    汇编语句模版；
                    输出部分；
                    输入部分；
                    破坏描述部分；
                     ）；

asm 是GCC的关键字asm的宏定义，是内嵌汇编的关键字。
_volatile_是GCC的关键字，告诉编译器不要优化代码，汇编指令保留原样。
同时，%作为转义字符，寄存器前面会多一个转义符号
%加一个数字代表输入、输入和破坏描述的编号。
看一个DEMO

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned int val1 = 1;
    unsigned int val2 = 2;
    unsigned int val3 = 0;
    pritnf("val1:%d,val2:%d,val3:%d
",val1,val2,val3);
    asm volatile(
        "movl $0,%%eax
	"
        "addl %1,%%eax
	"
        "addl %2,%%eax
	"
        "movl %%eax,%0
	"
        :"=m"(val3)
        :"c"(vall),"d"(val2)
    );
    pritnf("val1:%d,val2:%d,val3:%d
",val1,val2,val3);

    return 0;
}

要特别注意，输出部分和输入部分从0开始编号，所以%1代表val1,%2代表val2,%0代表val3，c表示ecx存储器存储val1，d表示edx存储val2，=m表示内存变量存储val3

利用Mykernel实验模拟计算机硬件平台
首先在实验楼输入如下代码

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make ＃编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

结果如图所示

cd mykernel 到mykernel目录，然后查看Mymain.c源代码，可以看到如下代码

有一个my_start_kernel()函数，故名思义，应该就是内核开始的函数。里面写了一个死循环，变量i不停的自加1，每当加到100000的整数倍的时候就打印出当前的i的值。
查看myinterrrupt.c，结果如下

定义了一个my_timer_handler()的函数
只有一条打印语句， 这里有一点要注意，内核编程的打印语句是printk而不是printf。
由于芯片不断发展，目前CPU处理速度很快，所以屏幕很快地交替打印出输出信息。

下面分析mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c
首先是mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long       ip;//保存eip
    unsigned long       sp;//保存esp
};

typedef struct PCB{
    int pid;    //进程的id 进程的状态
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];  //内核堆栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;  
    unsigned long    task_entry;  //入口
    struct PCB *next;    //进程用链表连起来
}tPCB;

void my_schedule(void);

文件的最后声明了一个schedule函数，即调度器。
第二个main.c中的代码如下

#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];  //PCB的数组task
tPCB * my_current_task = NULL;  //当前task的指针
volatile int my_need_sched = 0;  //是否需要调度

void my_process(void); //声明了一个my_process函数


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;//初始化为my_process，实际上为mystartkernel
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];//刚一启动只有0号进程
    /*fork more process */
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));  //将0号进程状态copy过来
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; //每个进程有自己的堆栈
        task[i].next = task[i-1].next;  //指向下一个进程
        task[i-1].next = &task[i];  //新fork的进程加到进程列表的尾部
    } //创建了MAX_TASK_NUM个进程
/* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];  //当前的进程是0号进程
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp
	"     /* set task[pid].thread.sp to esp */    //第一号（task[pid].thread.sp）参数放到esp
        "pushl %1
	"             /* push ebp */                       //当前堆栈空，esp==ebp
        "pushl %0
	"             /* push task[pid].thread.ip */       //当前ip压栈
        "ret
	"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */  //ret后0号进程正式启动
        "popl %%ebp
	"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
//构建起来了cpu的运行环境（0号进程设定的堆栈和0号进程的入口）
}；内核初始化完成，把0号进程启动起来了

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);//执行一千万次输出一个，这是几号进程
            if(my_need_sched == 1)    //是否需要调度
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}//主动调度机制

接下来是myinterrupt.c里面的代码

#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;   //把全局的东西extern来
volatile int time_count = 0;   //时间计数
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)  //时钟中断发生1000次并且my_need_sched不为1(设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志，时间片变小调度更频繁)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        my_need_sched = 1;  //当进程执行到的时候，发现为1，调度一次，执行一下my_schedule
    } 
    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<<<
");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;    //当前进程的下一个进程赋给next
prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */     //两个正在运行的进程之间做进程上下文切换
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp
	"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
	"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */
            "movl $1f,%1
	"       /* save eip */    
            "pushl %3
	" 
            "ret
	"                 /* restore  eip */
            "1:	"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp
	"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); //进程切换的关键代码
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);       
    }
  else           //切换到新进程的方法
    {
        next->state = 0;   //进程设置为运行时状态
        my_current_task = next;   //进程作为当前正在执行的进程
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp
	"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
	"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
	"     /* restore  esp */
            "movl %2,%%ebp
	"     /* restore  ebp */
            "movl $1f,%1
	"       /* save eip */    
            "pushl %3
	"            //把当前进程的入口保存起来
            "ret
	"                 /* restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
return;
}

最后将这些代码复制到对应的文件里面去，保存（原本没有mypcb.h文件，所以要另外创建一个mypcb.h），再回到~/linux-3.9.4目录下，
输入命令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage 但是发现结果仍然和刚才模拟计算机硬件平台时的结果一样，想了好久发现是自己没有编译~
输入make 编译一遍，再执行命令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
就可运行刚刚的代码了，结果如图所示

学习中的问题

Mymain.c以及mypcb.c中的函数名void __init my_start_kernel(void) 是否是Linux内核中约定好的呢?