实验要求
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。
一、实验环境配置-mykernel 2.0
（1）本机环境：VMware® Workstation 15 Pro + Ubuntu18.04.2 LTS
（2）下载mykernel文件：
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch ##这句不行
发现连接不能用，于是：
git clone https://github.com/mengning/mykernel ##clone整个文件
（3）安装axel：
sudo apt install axel
（4）通过axel下载对应的kernel压缩文件:
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
下载连续失败：
于是手动从网站下载Linux内核文件：
（5）解压缩下载好的kernel文件：
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
然后打包：
tar -xvf linux-5.4.34.tar
（6）利用mykernel，修补kernel文件
cd linux-5.4.34 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
（7）安装必须的库：
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
（8）生成内核编译：
make defconfig
（9）编译内核kernel：
make -j$(nproc) # 编译的时间不算太长，只用了8min
（10）安装qemu：
sudo apt install qemu
现在就完成了实验环境的配置啦！
二、初次在QEMU窗口观察my_start_kernel的执行
（1）查看当前的kernel运行状态
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
从qemu窗口中可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序可以执行：
（2）查看mykernel关键代码
进入mykernel目录：
上图可以看到qemu窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c
cat mymain.c
cat myinterrupt.c
从中可知：刚刚的QEMU窗口中的结果正是这两个文件中的程序执行结果。
三、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核并进行分析
1.对mypcb.h文件注释分析：
#define MAX_TASK_NUM 4 #define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 /* CPU-specific state of this task */ // 存储当前进程中正在执行线程的ip和sp struct Thread { unsigned long ip; //指针，指向下一个指令偏移地址 unsigned long sp; //堆栈指针 }; // PCB 模拟进程控制块 typedef struct PCB{ int pid; // 进程号 volatile long state; /* -1 unrunnable阻塞态, 0 runnable可运行态, >0 stopped暂停态 */ unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; // 进程使用的堆栈 /* CPU-specific state of this task */ struct Thread thread; // 当前正在执行的线程信息 unsigned long task_entry; // 存储进程入口函数地址（本实验中为my_process函数） struct PCB *next; // 指向下一个PCB }tPCB; void my_schedule(void); // 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。
2.修改mymain.c中的my_start_kernel函数，并在其中实现了my_process函数，作为进程的代码模拟一个个进程，时间片轮转调度
// 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 */ //用fork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); } }
void __init my_start_kernel(void)函数是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。
my_process函数的while循环可见，不断检测全局变量my_need_sched的值，当my_need_sched的值从0变成1的时候，就需要发生进程调度，全局变量my_need_sched重新置为0，执行my_schedule()函数进行进程切换。
3.修改myinterrupt.c
#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; /* * 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; }
先清除原来的编译，然后对新程序编译一次，花几分钟：
make clean make allnoconfig make
然后运行QEMU：
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
看到运行结果出现了变化：
四、简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
内联汇编：如果只是想对关键代码段进行优化，或许更好的办法是将汇编指令嵌入到 C 语言程序中，从而充分利用高级语言和汇编语言各自的特点。但一般来讲，在 C 代码中嵌入汇编语句要比"纯粹"的汇编语言代码复杂得多，因为需要解决如何分配寄存器，以及如何与C代码中的变量相结合等问题。
asm ("asm statement")（1）mymain.c关键代码分析如下：
/*asm：内联汇编*/ /*volatile：防止编译器优化*/ 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) /* input c or d mean %ecx/%edx*/ );
movq %1,%%rsp 将RSP寄存器指向进程0的堆栈栈底，task[pid].thread.sp初始值即为进程0的堆栈栈底。
pushq %1 将当前RBP寄存器的值压栈，因为是空栈，所以RSP与RBP相同。这里简化起见，直接使用进程的堆栈栈顶的值task[pid].thread.sp，相应的RSP寄存器指向的位置也发生了变化，RSP = RSP - 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼀个64位的存储单元。
pushq %0 将当前进程的RIP（这里是初始化的值my_process(void)函数的位置）入栈，相应的RSP寄存器指向的位置也发生了变化，RSP = RSP - 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼆个64位的存储单元。
ret 将栈顶位置的task[0].thread.ip，也就是my_process(void)函数的地址放⼊RIP寄存器中，相应的RSP寄存器指向的位置也发生了变化，RSP = RSP + 8，RSP寄存器指向堆栈底部第⼀个64位的存储单元。
这样完成了进程0的启动，开始执⾏my_process(void)函数的代码。
（2）myinterrupt.c关键代码分析如下：
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) );
pushq %%rbp： 保存prev进程（本例中指进程0）当前RBP寄存器的值到堆栈；
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；
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，这时的next->thread.ip可能是进程1的起点my_process(void)函数，也可能是$1f（标号1）。第⼀次被执行从头开始为进程1的起点my_process(void)函数，其余的情况均为$1f（标号1），因为next进程如果之前运行过那么它就⼀定曾经也作为prev进程被进程切换过。
ret ：就是将压入栈中的next->thread.ip放入RIP寄存器，为什么不直接放入RIP寄存器呢？因为程序不能直接使⽤RIP寄存器，只能通过call、ret等指令间接改变RIP寄存器。
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。
这样就完成了进程0与进程1的切换，其他两个相邻进程的切换过程也和这个相同。
进程堆栈状态+CPU寄存器图解