2019-2020-1 20199308《Linux内核原理与分析》第三周作业

《Linux内核分析》

第二章 操作系统是如何工作的

2.1 函数调用堆栈

• 3个关键性的方法机制（3个法宝）
  • 存储程序计算机
  • 函数调用堆栈机制
  • 中断
• 堆栈相关的寄存器
  • ESP：堆栈指针（stack pointer）
  • EBP：基址指针（base pointrer），在C语言中用作记录当前函数调用基址。
• 堆栈操作
  • push：栈顶地址减少4个字节（32位），并将操作数放入栈顶存储单元。
  • pop：栈顶地址增加4个字节（32位），并将栈顶存储单元的内容放入操作数。
• 栈是从搞地质向低地址增加的。
• 其他关键寄存器
  • CS:EIP总是指向下一条的指令地址（CS就是代码段寄存器，EIP总是指向下一条的指令地址）。
    • 顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令。
    • 跳转/分支：执行这样的指令是，CS:EIP的值会根据程序需要被修改。
    • call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP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。
  • 堆栈是CPU指令集的一部分。
• 函数是如何传递返回值的
  • 保存返回值，就是程序用EAX寄存器来保存返回值。
  • 多个返回值，EAX寄存器返回的是一个内存地址。
• 函数体内的局部变量是通过堆栈来存储的。

2.2 借助Linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作模型及时钟中断

• 2.2.1 内嵌汇编
  • 语法：

_asm_ _volatile_(
                            汇编语句模板：
                            输出部分：
                            输入部分：
                            破坏描述部分
                                                 ）

答案是0,1

• 2.2.2 虚拟一个x86的CPU硬件平台
  
  -首先搭建一个虚拟的平台，虚拟一个x86的CPU，然后使用Linux的源代码把CPU初始化配置好，并配置好整个系统，开始执行编写的程序。
  • 用到的命令：

//注意路径是区分大小的
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4

$ rm -rf mykernel

$ patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

$ make allnoconfig

//编译内核请耐心等待
$ make

$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

• 搭建起来后的内核启动效果如下：

2.3 在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核

• 实验代码分析

  • mypcb.h

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

#define MAX_TASK_NUM        4   /*定义最大任务数*/
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8   /*定义堆栈大小*/

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long       ip;
    unsigned long       sp;
};

typedef struct PCB{    /*定义进程控制块*/
    int pid; /*进程的ID*/
    volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; /*当前进的堆栈*/
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long   task_entry; /*入口*/
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void); /*调度器*/

• 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]; /*数组*/
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0; /*是否需要调度的标志*/

void my_process(void);

void __init my_start_kernel(void) /*内核入口。初始化并启动0号进程*/
{
    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; /*将创建的进程加到进程列表的尾部*/
        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)   /*循环1000万次才有一次机会判断是否需要调度*/
        {
            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);
        }
    }
}

• 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) /*设置时间片大小，时间片用完时设置一下调度标志*/
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;  /*调度执行my_schedule(void)*/
    }
    time_count ++ ;
#endif
    return;
}

void my_schedule(void)  /*进程上下文的切换*/
{
    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)
        ); 

    }
    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;
}