《Linux内核分析》之操作系统是如何工作的实验总结

前言

实验阶段，由于学校网速等条件限制，未能在真机上搭建出实验环境。在实验楼中，将代码粘贴进去出现严重的缩进错位，最终未能完成编译新的。本文以分析关键代码为主。

环境搭建简易过程

此处为环境搭建的简易过程，详细的可以参考孟宁老师的github：mykernel，这里不再进行赘述。 [toggle hide=“yes” title=“环境搭建简易过程” color=“”] 1、创建（mkdir）工作区SG13225146 2、将linux-3.9.4文件夹剪切到刚创建工作区SG13225146 3、将mykernel_for_linux3.9.4sc.patch复制到工作区SG13225146 4、查看工作区内容 5、patch -p1 < …/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch 6、make allnoconfig 复位 7、make 编译 8、安装qemu 9、使用qemu查看内核 10、结合网上所查资料，在mykernel文件夹中主要写入mypcb.h、mymain.c、myinterupt.c三个文件。之后再在linux-3.9.4文件夹中make 编译一下。 11、使用qemu再次查看内核，正常情况下应该可以看到更改后的。 [/toggle] 小总结：1-7步是编译linux内核过程，8-9为查看内核信息的过程，10-11为编写自己的简易内核过程。 [toggle hide=“yes” title=“相关图片” color=“”] [caption id=“” align=“aligncenter” width=“439”] mymain.c部分截图[/caption] [caption id=“” align=“aligncenter” width=“404”] 代码粘进去严重错位了= =[/caption] [caption id=“” align=“aligncenter” width=“327”] linux原内核工作状态[/caption] [/toggle]

实验及总结

主要代码及分析

各文档所包含的头文件不在列出

mypcb.h

这个头文件主要定义了进程控制结构PCB [toggle hide=“yes” title=“mypcb.h” color=“”]

#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/*
*Thread用于存储eip和esp
*/
struct Thread{
        unsigned long ip;
        unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{
        int pid;/*进程id*/
        volatile long state;/*进程状态 -1 unrunable,0 runable*/
        char stack[KERNEL_STACK_SIZE];/*进程的堆栈*/
        /*CPU -specific state of this task*/
        struct Thread thread;
        unsigned long task_entry;/*程序入口*/
        struct PCB *next;/*下一个进程*/

}tPCB;

void my_schedule(void);/*调度器*/

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[/toggle]

mymain.c

这个文件主要是定义了启动N个进程的过程 [toggle hide=“yes” title=“mymain.c” color=“”]

tPCB task[MAX_TASK_NUM];/*task数组*/
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);

void __init my_start_kernel(void)
{
        int pid =0;
        int i;
        /*Initialize process 0(初始化0号进程的数据结构)*/
        task[pid].pid = pid;
        task[pid].state = 0;/* -1 unrunable,0 runable，>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];
                //将新创建的进程加入到之前进程列表的尾部
                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,%%espnt" /*set task[pid].thread.sp to esp */
                "pushl %1nt"      /*push ebp*/
                "pushl %0nt"      /*push task[pid].thread.ip*/
                "retnt"           /*pop task[pid].thread.ip to eip*/
                "popl %%ebpnt"
                :
                :"c"(task[pid].thread.ip),"d"(task[pid].thread.sp) /*input %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);
                }
        }
}

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代码解析

my_start_kernel可以看做操作系统的入口 [toggle hide=“yes” title=“my_start_kernel中主要过程” color=“”] 1、初始化循环体，初始一个单PCB循环链表 2、扩充循环链表，使用memcpy将task[0]初始状态复制到task[i]。该代码中到结束时形成一个有4个PCB的循环链表。 3、利用一段汇编代码，初始化堆栈esp、ebp、eip [/toggle]

汇编代码部分解析

/*start process 0 by task[0]*/
        pid = 0;
        my_current_task = &task[pid];
        asm volatile(
                "movl %1,%%espnt" /*set task[pid].thread.sp to esp */
                "pushl %1nt"      /*push ebp*/
                "pushl %0nt"      /*push task[pid].thread.ip*/
                "retnt"           /*pop task[pid].thread.ip to eip*/
                "popl %%ebpnt"
                :
                :"c"(task[pid].thread.ip),"d"(task[pid].thread.sp) /*input %ecx/%edx*/
        );

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[infobg class=“tips” closebtn=“” color=“” bgcolor=“”] 1、将task[0]的栈顶（即task[pid].thread.sp）赋值给esp。 2、将task[pid].thread.sp（即栈顶）压栈，由于当前栈为空栈，故当前ebp压栈同时esp的值被修改，为以后的%ebp的复位使用。 3、将task[0].thread.ip（即程序入口my_process)压栈。 4、执行ret等价于pop task[pid].thread.ip to eip，即出栈，将 task[0].thread.ip（即程序入口my_process)赋给eip。 5、再次出栈，之前保存的sp赋给ebp寄存器。 [/infobg] 这些步骤完成之后0号进程正式启动。

进程的运行

{
        int i = 0;
        while(1)
        {
                i++;
                if(i%10000000 ==0)
                {
                        // 该进程停止运行
                        printk(KERN_NOTICE "This is process %d -n",my_current_task->pid);
			if(my_need_sched == 1)
                        {
                                my_need_sched = 0;
                                my_schedule();//进行调度
                         }
                        // 该进程继续运行
                        printk(KERN_NOTICE "This is process %d + n",my_current_task->pid);
                }
        }
}

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此过程为从i=0开始，每运行一千万次，程序自己检测是否需要进行调度（是否需要调度由时钟中断函数决定），如果是，就执行调度函数，切换到下一个进程。

myinterupt.c

这个文件主要是时钟中断函数和进程调度函数的具体实现，通过该文件中的函数完成最终的进程调度。 [toggle hide=“yes” title=“myinterupt.c” color=“”]

extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]/**/
extern tPCB *my_current_task;/**/
extern volatile int my_need_sched;/**/
volatile int time_count = 0;/*时间计数*/

/*
* Called by timer interrupy
* it runs in the name of current running process
* so it use kernel stack of current running process
*/
/*设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志*/
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
        if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched !=1)
        {
                printk(KERN_NOTICE ">>> my_timer_handler here <<<n");
                my_need_sched = 1;
        }
        time_count ++;
#endif
        return;
}

void my_schedule(void)
{
        tPCB *next;
        tPCB *prev;

        if(my_current_task == NULL || my_current_task->next == NULL)
        {
              return;
        }
        printk(KERN_NOTICE ">>> my_schedule here <<<n");
        /*schedule*/
        next = my_current_task->next;
        prev = my_current_task;

        if(next->state == 0)/* -1 unrunable,0 runable，>0 stopped*/
        {
                /*switch to next process */
                asm volatile(
                        "pushl %%ebpnt"      /*save ebp*/
                        "movl %%esp,%0nt"   /*save esp*/
                        "movl %2,%%espnt"   /*restore esp*/
                        "movl $1f,%1nt"     /*save eip*/  /*$1f是指接下来的标号1：的位置*/
                        "pushl %3nt"
                        "retnt"           /*restore eip*/
                        "1:t"             /*next process start here*/
                        "popl %%ebpnt"
                        : "=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 %%ebpnt"        /*save ebp*/
                        "movl %%esp,%0nt"     /*save esp*/
                        "movl %2,%%espnt"    /*restore esp*/
                        "movl %2,%%ebpnt"   /*restore ebp*/
                        "movl $1f,%1nt"    /*save eip*/
                        "pushl %3nt"
                        "retnt"           /*restore eip*/
                        : "=m"(prev->thread.sp),"=m"(prev->thread.ip)
                        : "m"(next->thread.sp),"m"(next->thread.ip)
                );
        }
        return;
}

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代码分析

函数void my_timer_handler(void)作为时钟中断函数主要功能为判断是否需要进行进程调度。通过设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志。又注释中提到”该函数运行在当前进程的地址空间内，所以它使用当前进程的内核栈空间“。故每个进程中均有一个自己的time_count用来计算时间片。又此函数中time_count达到1000的倍数时my_need_sched才改变一次，故可知每个进程运行的时间是1000个CPU时钟。当my_need_sched = 1时执行void my_schedule(void)函数，此时下一个进程状态一般分为正在执行和尚未执行。

下一个进程正在执行时

两个正在运行的进程进行上下文切换，此时执行if中的代码。

if(next->state == 0)/* -1 unrunable,0 runable，>0 stopped*/
        {
                /*switch to next process */
                asm volatile(
                        "pushl %%ebpnt"      /*save ebp*/
                        "movl %%esp,%0nt"   /*save esp*/
                        "movl %2,%%espnt"   /*restore esp*/
                        "movl $1f,%1nt"     /*save eip*/  /*$1f是指接下来的标号1：的位置*/
                        "pushl %3nt"
                        "retnt"           /*restore eip*/
                        "1:t"             /*next process start here*/
                        "popl %%ebpnt"
                        : "=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);
        }

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[infobg class=“primary” closebtn=“” color=“” bgcolor=“”] 1、保存当前进程的ebp 2、将当前进程的esp赋到当前进程的sp，即保存当前的esp 3、将新进程的sp放到esp中 4、保存eip，即将eip保存到prev的ip 5、将新进程的eip压栈 6、ret 出栈，将next的ip赋给eip 7、此时新进程开始运行 8、恢复ebp （注意这里已经切换了进程） [/infobg] 小结： 1.保存prev进程的ebp、esp和eip 2.恢复next进程的esp、ebp和eip

下一个进程未执行过时

切换到一个新进程时，此时执行else中的代码。

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 %%ebpnt"        /*save ebp*/
                        "movl %%esp,%0nt"     /*save esp*/
                        "movl %2,%%espnt"    /*restore esp*/
                        "movl %2,%%ebpnt"   /*restore ebp*/
                        "movl $1f,%1nt"    /*save eip*/
                        "pushl %3nt"
                        "retnt"           /*restore eip*/
                        : "=m"(prev->thread.sp),"=m"(prev->thread.ip)
                        : "m"(next->thread.sp),"m"(next->thread.ip)
                );
        }

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[infobg class=“primary” closebtn=“” color=“” bgcolor=“”] 1、保存当前进程的ebp 2、将当前进程的esp赋到当前进程的sp，即保存当前的esp 3、将新进程的sp放到esp中 4、将新进程的sp放到ebp中 5、保存eip，即将eip保存到当前的ip 6、将当前进程的ip压栈（即将当前程序的入口保存） 7、ret 出栈，将prev进程的ip赋给eip [/infobg] 小结： 1.保存prev进程的ebp、esp和eip 2.设置新进程的eip、ebp和esp。因为是新进程，所以ebp和esp相同，都是从存储的sp那里取值。

两种进程切换的不同之处

当切换到一个新进程时，新进程的ebp不再是从栈顶恢复，而是设置一个新的值。

总结

初始化好的CPU从my_start_kernel开始执行，时钟中断机制周期性性执行my_time_handler中断处理程序，执行完后中断返回总是可以回到my_start_kernel中断的位置继续执行。即操作系统通过CUP执行进程的同时判断分配到的时间片是否用完，当用完时保存当前中断现场的相关信息并进行进程调度，开始另一个进程，当另一个进程的时间片用完时，再回到之前中断的地方恢复并继续执行后面的内容，如此循环的方法进行工作。

附录

C语言中嵌入汇编语言的格式： 1、基本格式 [infobg class=“success” closebtn=“” color=“” bgcolor=“”] __asm__( 汇编语句模板：输出部分：输入部分：破坏描述部分); [/infobg] [caption id=“” align=“aligncenter” width=“464”] __asm__可写为asm[/caption] 2、%1等相当于函数中的参数 3、/*$1f是指接下来的标号1：的位置*/ windCoder原创作品转载请注明出处

参考资料

《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

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7 条评论

Funix2015-03-20 08:00:00
额，看起来有点复杂……
- 回复
蜜汁炒酸奶 2015-03-28 08:00:00
回复 @Funix：这个。。。只有最后的总结可以算点干货
回复
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新宁新闻2015-03-17 08:00:00
满篇都是高大上啊，所有的字母在单个的时候我都认识，组成团了我就不认得了，呵呵，单身的字母好认也好记啊。Linux我都是照着网上的教程才懂安装，还要是简单的。像这个Linux内核这样的，就更加的木知道了。
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恋羽2015-03-17 08:00:00
很长的技术文章，可惜无爱
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蜜汁炒酸奶 2015-03-17 08:00:00
回复 @恋羽：嘻嘻，主要是用来分析汇编代码部分了，看了下确实有点长，就缩了一下
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wys.me2015-03-17 08:00:00
过来转转。Google Chrome浏览器下页面有错位。
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蜜汁炒酸奶 2015-03-17 08:00:00
回复 @wys.me：恩，有时可能会出点小错误
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《Linux内核分析》之操作系统是如何工作的 实验总结

前言

环境搭建简易过程

实验及总结

主要代码及分析

mypcb.h

mymain.c

代码解析

汇编代码部分解析

进程的运行

myinterupt.c

代码分析

下一个进程正在执行时

下一个进程未执行过时

两种进程切换的不同之处

总结

附录

参考资料

《Linux内核分析》之操作系统是如何工作的实验总结