学号后三位：288

原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

1.mykernel

mykernel是由中科大孟宁老师建立的用于开发操作系统内核的一个平台，你可以在kernel版本库中找到mykernel的代码，链接：https://github.com/mengning/mykernel，根据里面的步骤将mykernel部署到系统中。还有另外一种方法就是使用实验楼提供的虚拟机，上面已经部署好了mykernel的环境，链接：https://www.shiyanlou.com/courses/195。本次linux实验就是利用实验楼中的mykernel平台完成的，孟宁老师的github里包含的教学以及内核代码也给予了我很大的帮助和启发。

2.实验要求

（1）完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码；

（2）分析进程的启动和进程的切换机制

(3) 理解操作系统是如何工作

3.实验过程

（1）使用实验楼的虚拟机打开终端模拟器，输入以下指令：

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make  //输入以后等待编译完成
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

下面的运行截图是输入make指令后等待编译完成，可以看到 arch/x86/boot/bzImage is ready

接着在编译完成后输入qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage指令后，跳出如下运行界面，

在QEMU窗口，我们可以看到一个简单的操作系统已经跑起来了，这个系统只是不停的输出一些字符串：>>>>>>>>my_timer_handler here <<<<<<<< 和 my_start_kernel here 。然后关闭qemu窗口，进入LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹中，可见两个文件mymain.c和myinterrupt.c，打开这两个源代码。

在mymain.c中，我们可以看到my_start_kernel函数不断地控制输出“my_start_kernel here ”

在myinterrupt.c中，可以看到my_timer_handler函数不断地输出>>>>>>>>my_timer_handler here <<<<<<<<

（2）实现一个简单的时间片轮转多道程序

在上面实验的基础上扩展了mymain.c中的my_start_kernel函数和myinterrupt.c中的my_timer_handler函数，模拟一个简单的时间片轮转多道程序。

首先我们从孟宁老师的github中获取源代码，链接：https://github.com/mengning/mykernel，在里面获取三个文件：myinterrupt.c，mymain.c和mypcb.h

在shell中输入指令 git clone https://github.com/mengning/mykernel ，将github上的文件下载到虚拟机中，然后打开主文件夹，将mykernel中的myinterrupt.c，mymain.c和mypcb.h复制到LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹中，替换其中myinterrupt.c和mymain.c，截图如下：

接着重新打开shell，依次输入指令

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
make allnoconfig
make  //重新编译
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

在编译过程中会出现报错，如下图，这是源码mypcb.h在#defin KERNEL_STACK_SIZE 1024*2 # unsigned long处出现了一点小问题，把#unsigned long删除即可。

如下图是重新编译完成

输入指令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage，QEMU的运行截图如下：

从上图我们可以看出，系统从执行进程process1切换到进程process2的过程

4. 源代码分析

我们主要分析上面实验中覆盖的三个文件 mypcb.h、mymain.c和 myinterrupt.c，其作用简述如下，

（1）mypcb.h

/**  linux/mykernel/mypcb.h**  Kernel internal PCB types**  Copyright (C) 2013  Mengning**/#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* 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 */unsigned long 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);

mypcb.h主要定义了进程控制块PCB的结构体。

定义了最大进程数MAX_TASK_NUM为4，堆栈空间大小KERNEL_STACK_SIZE。

定义了Thread 结构体来表示线程的ip指令指针和sp堆栈指针，

而在PCB的结构体定义中：

pid表示进程号

state表示进程状态，初始化值是-1，表示不可运行，0表示可运行，其他值表示停止

stack[KERNEL_STACK_SIZE]表示进程使用的堆栈空间，其中KERNEL_STACK_SIZE定义了堆栈的大小

thread表示当前正在执行的线程信息，包含了ip和sp

task_entry为进程入口函数

next为PCB的指针，指向下一个进程的PCB。

最后的一个函数声明 my_schedule，它在my_interrupt.c中被定义，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，从而实现进程的切换。

（2）mymain.c

/**  linux/mykernel/mymain.c**  Kernel internal my_start_kernel**  Copyright (C) 2013  Mengning**/
#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].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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 */: : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/);
} int i = 0;
void my_process(void)
{    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);}     }
}

my_current_task为指向当前进程的指针，my_need_sched表示进程调度状态，初始化为0，表示不需要进程切换，1表示需要进程切换；

mymain.c的功能是进行所有进程的初始化并运行0号进程。首先初始化0号进程，设置其状态为0，表示可运行，进程的入口和线程thread的指令指针都指向my_process，线程的栈顶指针指向分配的堆栈空间的最高地址处，将下一个进程控制块的指针指向自己。

接着初始化其余所有进程，利用拷贝函数将0号进程的信息拷贝至其余进程，为其余进程设置线程的栈顶指针，为其分配堆栈空间，然后将各个进程以链表的形式链接起来。

接下来的汇编代码用来启动进程，将当前进程指向0号进程，ecx寄存器存入thread.ip，edx寄存器存入Thread.sp，0号进程的栈顶指针的值赋给esp寄存器，将栈顶地址sp、线程指令指针ip入栈，然后将thread.ip出栈保存至esp寄存器，跳转至进程入口函数开始运行0号进程。

最后的my_process函数是用来循环打印输出进程编号，并通过my_need_sched判断是否需要进行进程切换，0不需要切换，1需要进程切换就会调用my_schedule函数并将my_need_sched重新置0。

（3）myinterrupt.c

/**  linux/mykernel/myinterrupt.c**  Kernel internal my_timer_handler**  Copyright (C) 2013  Mengning**/
#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 */{        my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  /* 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)); }  return;
}

myinterrupt.c负责进行进程切换，my_timer_handler函数会周期性地检查my_need_sched，没增加1000次就会将my_need_sched置1，开始进行进程切换。my_schedule函数用于进程的切换，next指向下一个进程，prev指向上一个进程。将当前运行进程指向下一个进程，若下一个进程状态为0，则执行进程切换。表示进程切换的汇编代码过程为：首先将ebp寄存器的信息入栈，将当前进程的esp寄存器信息保存，下一个进程的栈顶指针信息保存到当前的esp寄存器，将当前进程的eip寄存器信息保存，下一个进程的指令指针信息入栈并保存到当前的eip寄存器中，运行下一个进程，出栈下一个进程的ebp寄存器信息。

5.总结

我们通过此次实验可以了解到，现代操作系统的核心是进程的调度与中断机制，需要利用堆栈空间，通过esp堆栈指针寄存器、ebp基址指针寄存器和cs:eip寄存器等关键寄存器来保存和恢复现场，进行进程上下文的切换。进程的切换需要与计算机的硬件相配合，操作系统通过进程的中断与切换使CPU时间合理分配，保证计算机的性能发挥。

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