linux内核实验一：一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

学号517原创作品，转载请注明出处。
本实验资源来源： https://github.com/mengning/linuxkernel/

一、mykernel

本次实验是在孟宁老师所建立的一个供用户开发自己的操作系统内核的平台，它基于Linux Kernel 3.9.4 source code。
mykernel的源代码：https://github.com/mengning/mykernel
所采用的实验平台：http://www.shiyanlou.com/courses/195
若是在自己的linux系统中配置，需要参照mykernel源代码的github指南部署。而使用实验楼的平台，实验楼所提供的虚拟机已经部署好了这个平台，按照实验2的步骤即可找到并运行这个平台框架。

打开实验楼的终端，然后根据左侧的实验指南，输入相关命令行：
执行完最后一条命令之后，会出现QEMU窗口，可以看到一个简单的操作系统正在运行，当然仔细观察，会发现，它所进行的操作只是不同的输出一些字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here 。

接下来可以查看源代码。通过观察mykernel文件夹目录下的mymain.c文件和myinterrupt.c文件。如下图
通过观察两个源文件，可以发现，在mymain.c的文件里，有个循环，不停地输出my_start_kernel here;
在myinterrupt.c中，可以看到一个会被时钟中断周期调用的函数my_timer_handler ，在这个函数里，会输出类似>>>>>my_timer_handler here <<<<< 的字符串。

这两个函数的输出，就是前面我们这QEMU窗口中看到的内容。

通过这个实验我们可以知道，mykernel系统启动后，会

调用my_start_kernel函数
周期性的调用my_timer_handler函数

二、一个简单地时间片轮转多道程序

实验过程

首先从孟宁老师提供的github上获取实验所需的源代码，主要包含三个文件：mypcb.h、myinterrupt.c、mymain.c
在实验楼的虚拟机环境中，将这三个文件拷贝到mykernel平台中，即要覆盖前文所述的mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增mypcb.h
回到 LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹，使用下面的命令编译、运行:
```
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/baImage
```

从QEMU的图中可以看出，系统从执行process1切换到process2的过程。

源代码分析
实验中改写的三个文件，其作用简述如下：
mypcb.h：进程控制块PCB结构体定义。
mymain.c：初始化各个进程并启动0号进程。
myinterrupt.c：时钟中断处理和进程调度算法。

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;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);

在这个文件中，定义了Thread结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp，PCB结构体中的各个字段如下：

     **pid：进程号state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0stack：进程使用的堆栈thread：当前正在执行的线程信息task_entry：进程入口函数next：指向下一个PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。**

这里还有一个函数的声明 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。

再来看看文件mymain.c

    #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);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("movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */"pushl %1\n\t"            /* push ebp */"pushl %0\n\t"          /* push task[pid].thread.ip */"ret\n\t"               /* pop task[pid].thread.ip to eip */"popl %%ebp\n\t": : "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 -\n",my_current_task->pid);if(my_need_sched == 1){my_need_sched = 0;my_schedule();}printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);}     }}

正如前文所述，这里的函数 my_start_kernel 是系统启动后，最先调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。

另外，在 my_process 也会检查一个全局标志变量 my_need_sched，一旦发现其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。

0号线程的启动，采用了内联汇编代码完成，详细参见源码中的注释。

最后一个文件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 1if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1){printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");my_need_sched = 1;} 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;prev = my_current_task;if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */{/* switch to next process */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)); my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);       }else{next->state = 0;my_current_task = next;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" "ret\n\t"                /* restore  eip */: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip): "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip));          }   return;
}

这里 my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，通知正在执行的进程执行调度程序my_schedule。在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种情况，一种情况是下一个进程没有被调度过，另外一种情况是下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。进程切换依然是通过内联汇编代码实现，无非是保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中，详见代码中的注释。

三、总结

通过本讲的学习和实验，我们知道操作系统的核心功能就是：进程调度和中断机制，通过与硬件的配合实现多任务处理，再加上上层应用软件的支持，最终变成可以使用户可以很容易操作的计算机系统。
关于任务调度的机制其实是操作系统内核在一个时间片周期结束的时候保存任务现场，主要是当前的eip,esp等寄存器，然后恢复下一个任务的相关寄存器状态，由于计算机硬件在执行指令主要就是靠(CS:IP)来顺序执行指令，在切换过程中通过这些相关寄存器的保存与恢复从而实现任务的切换。
在某些单片机中，有些不可能实现操作系统，就是通过定时器中断与指令指针的存取实现一个模拟的伪多线程操作，其核心思想与PC上的操作系统类似。