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\n",val1,val2,val3);asm volatile("movl $0,%%eax\n\t""addl %1,%%eax\n\t""addl %2,%%eax\n\t""movl %%eax,%0\n\t":"=m"(val3):"c"(vall),"d"(val2));pritnf("val1:%d,val2:%d,val3:%d\n",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eipunsigned 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mystartkerneltask[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\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */ //第一号(task[pid].thread.sp)参数放到esp"pushl %1\n\t" /* push ebp */ //当前堆栈空,esp==ebp"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */ //当前ip压栈"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */ //ret后0号进程正式启动"popl %%ebp\n\t": : "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 -\n",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 +\n",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 1if(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<<<\n");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 ++ ;
#endifreturn;
}
void my_schedule(void){tPCB * next;tPCB * prev;if(my_current_task == NULL || my_current_task->next == NULL){return;}printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");/* 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\n\t" /* save ebp */"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */"1:\t" /* next process start here */"popl %%ebp\n\t": "=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<<<\n",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<<<\n",prev->pid,next->pid);/* switch to new process */asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" //把当前进程的入口保存起来"ret\n\t" /* 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?
转载于:https://www.cnblogs.com/bowendky/p/9866931.html
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