Lab1——基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核

 一、升级Vmware Workstation Pro

由于原来使用的Vmware Workstation Pro是12.0,不支持ubuntu18.04的linux版本内核,所以要进行升级

从官网下载和电脑操作系统对应的Vmware Workstation Pro15版本，然后按照提示进行就OK了，中间需要重启一次

最后要填入一个激活码才能永久使用，这个网上一搜有一堆，随便试了一个就OK了。。。

最终环境是：Vmware Workstation Pro15.5 + Ununtu18.04 LTS

二、为 mykernel2.0 配置开发环境 

git clone https://github.com/mengning/mykernel
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 gcc-multilib
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install qemu # install QEMU

三、然后对内核进行编译，并且从QEMU窗口中观察my_start_kernel的执行

make defconfig 
make -j$(nproc) #这里大概编译了20分钟
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

编译完成结果如下所示：

如下所示，从QEMU窗口中可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行

 四、完成一个可运行的小OSkernel

参考：https://github.com/mengning/mykernel

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。也就是进程结构体的定义，在Linux内核中是struct tast_struct结构体。

操作系统进程控制块中包含的信息有：

• 进程描述信息：PID，进程标识符用于唯一的标识一个进程。
• 进程控制信息：进程当前状态、进程优先级、程序开始地址、各种计时信息、通信信息、
• 资源信息：占用内存大小及管理用数据结构指针、交换区相关信息、I/O设备号、缓冲、设备相关的数结构、文件系统相关指针
• 现场保护信息（cpu进行进程切换时）：寄存器、PC、程序状态字PSW、栈指针

这里对PCB进行了简化，只保留我们所能用到的信息即可；

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *  Kernel internal PCB type
 */

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* CPU-specific state of this task */

//存储ip和sp
struct Thread {
    unsigned long        ip; //函数入口指针
    unsigned long        sp; //栈顶指针
};

//PCB结构
typedef struct PCB{
    int pid;//进程id
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];//进程堆栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;//线程
    unsigned long    task_entry;//进程入口地址
    struct PCB *next;//下一个进程控制块地址
}tPCB;

void my_schedule(void);//调度函数

2、对mymain.c进⾏修改，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
 *  Kernel internal my_start_kernel
 */
 #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);//模拟进程执行代码
 
 
 void __init my_start_kernel(void)
 {
     int pid = 0;//0号进程
     int i;
     /* 初始化0号进程PCB信息*/
     task[pid].pid = pid;
     task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    //任务入口地址，将my_process的地址赋给ip
     task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
     //0号进程PCB堆栈栈顶地址赋给sp
     task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
         //系统刚开始只有一个进程，下一个进程地址指向自身
     task[pid].next = &task[pid];
     /*fork more process */
         //复制0号进程创建更多进程，并对它们赋值，插入队列
     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] */
         //启动0号任务，开始执行0号进程
     pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];//当前任务指针
         
         /*下面这一段是进程执行的关键汇编代码,下文会对其进行详细分析
           *  %1指task[pid].thread.sp，%0指task[pid].thread.ip
           */
     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;

 //模拟进程执行过程，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。
 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)//判断是否需要调度
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();//执行调度
             }
             printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
         }     
    }
 

3、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。

/*
 * 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)//设置时间片的大小，时间片用完则开始调度
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        my_need_sched = 1;//设置进程调度标志
    } 
    time_count ++ ;  
    return;      
}

//调度函数
void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;//下一个进程指针
    tPCB * prev;//当前进程指针

    if(my_current_task == NULL 
        || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<
");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;//下一个进程
    prev = my_current_task;//当前进程
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {        
        my_current_task = next; //排队策略
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);  
        /* 进程切换 */
    //下面是进程切换的汇编代码，下文将进行详细分析
        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;    
}

五、关键汇编代码分析

1、启动执⾏第⼀个进程的关键汇编代码

%1是指后⾯的task[pid].thread.sp，%0是指后⾯的task[pid]. thread.ip

asm volatile(
"movq %1,%%rsp
	" /* 将进程原堆栈栈顶的地址存⼊RSP寄存器 */
"pushq %1
	" /* 将当前RBP寄存器值压栈 */
"pushq %0
	" /* 将当前进程的RIP压栈 */
"ret
	" /* ret命令正好可以让压栈的进程RIP保存到RIP寄存器中 */
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)
);

这一段代码用于启动0号进程：

movq %1,%%rsp　　#将rsp寄存器指向进程0的堆栈栈底，task[pid].thread.sp的初始值就是堆栈栈底；

pushq %1　　           #将当前rsp寄存器的值压栈，rsp=rsp-8；

pushq %0　　           #将当前进程的rip入栈，相应的rsp寄存器指向的位置也发生了变化。rsp=rsp-8；

ret　　                      #将栈顶位置task[0]. thread.ip，也就是my_process(void)函数的地址放入rip寄存器，rsp=rsp+8;

这样就完成了进程0的启动，开始执行my_process(void)函数的代码

2、进程切换关键代码分析

%0指pre->thread.sp， %1指prev->thread.ip

%2指next->thread.sp，%3指next->thread.ip

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)
        );

为了简便，假设系统只有两个进程，分别是进程0和进程1。进程0由内核启动时初始化执⾏，然后需要进程调度和进程切换，然后开始执⾏进程1。
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进程的rbp的值，入栈

movq %%rsp,%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，也就是保存prev进程栈顶地址

movq %2,%%rsp　　#将next进程的栈顶地址放入rsp寄存器，完成进程0和进程1的堆栈切换

movq $1f,%1　　      #保存prev进程当前rip寄存器的值到prev->thread.ip，$1f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　　                      #将压入栈的next->thread.ip放入rip寄存器

1:　　                       #标号1是一个特殊的地址位置，地址是$1f

popq %%rbp　　     #将next进程堆栈基地址从堆栈恢复到rbp寄存器中

六 、结果演示

完成代码修改，重新编译运行

我们可以看到进程0切换到进程1

 七、小结

通过这次实验，我对linux进程启动和调度切换有了更加深刻的理解，并且实现mykernel，对进程的实现细节和进程切换的底层堆栈变化有了更深的了解。总之，受益匪浅。