• 基于mykernel2.0编写一个操作系统内核


    基于mykernel2.0编写一个操作系统内核

    一. 实验准备

    1. 详细要求

    基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

    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. 实验环境

    发行版本:Ubuntu 18.04.4 LTS

    处理器:Intel® Core™ i7-8850H CPU @ 2.60GHz × 3

    图形卡:Parallels using AMD® Radeon pro 560x opengl engine

    GNOME:3.28.2

    二. 实验过程

    1. Set up mykernel 2.0

    依次执行如下的指令

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

    执行成功并运行后可以看到如下的界面

    1. qemu窗口中输出的内容来自代码mymain.c和myinterrupt.c。先查看一下代码内容

    mymain.c

    #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
    #include <asm/smp.h>
    #endif
    
    
    void __init my_start_kernel(void)
    {
        int i = 0;
        while(1)
        {
            i++;
            if(i%100000 == 0)
                pr_notice("my_start_kernel here  %d 
    ",i);
                
        }
    }
    

    nyinterrupt.c

    /*
     * Called by timer interrupt.
     */
    void my_timer_handler(void)
    {
    	pr_notice("
    >>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<
    
    ");
    }
    
    1. 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(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);
    
    1. 修改mymain.c中的my_start_kernel函数,并在mymain.c中实现了my_process函数,用来作为进程的代码模拟一个个进程,时间片轮转调度。
    #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*/
        );
    }
    
    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);
            }
        }
    } 
    
    1. 对myinterrupt.c进行修改,my_timer_handler用来记录时间片,时间片消耗完之后完成调度。
    #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;
    }
    
    
    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;
    }
    
    1. 更改后的运行结果:

    进程切换过程中进程0和进程1的堆栈和相关寄存器的变化过程大致如下:

    • pushq %%rbp 保存prev进程(本例中指进程0)当前RBP寄存器的值到prev进程的堆栈;
    • movq %%rsp,%0 保存prev进程(本例中指进程0)当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp,这时RSP寄存器指向进程的栈顶地址,实际上就是将prev进程的栈顶地址保存;%0、%1...指这段汇编代码下面输入输出部分的编号。
    • movq %2,%%rsp 将next进程的栈顶地址next->thread.sp放入RSP寄存器,完成了进程0和进程1的堆栈切换。
    • movq $1f,%1 保存prev进程当前RIP寄存器值到prev->thread.ip,这里$1f是指标号1。
    • pushq %3 把即将执行的next进程的指令地址next->thread.ip入栈。
    • ret 就是将压入栈中的next->thread.ip放入rip寄存器,rip寄存器现在存储next进程的指令。
    • 1: 标号1是一个特殊的地址位置,该位置的地址是$1f。
    • popq %%rbp 将next进程堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。

    三. 总结

    这次实验主要做了如下的事情:

    • 学习并完成实验环境的配置的搭建
    • 学习并了解Linux内核编译相关知识
    • 通过实践加深对编译的学习与体会
    • 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
    • 思考代码执行的各项原理
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