基于Linux-3.9.4内核增加简单的时间片轮转功能

简单的时间片轮转多道程序内核代码

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

作者：sa18225465

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一、安装 Linux-3.9.4 Kernel

首先，需要下载 QEMU 虚拟操作系统模拟器，用于模拟我们的 kernel。

sudo apt-get install qemu

如果在使用 install 安装命令时，提示其他进程正在使用，可以使用 ps 和 grep 命令并用管道组合来得到含有 apt 或者 apt-get 的进程，并杀掉相应的进程即可。



为了方便操作，将刚才下载的 qemu-system-i386 文件在 /usr/bin 目录下建立一个同步的链接。

sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

从 kernel 官网中下载 linux-3.9.4 版本的压缩包和补丁包，并解压缩（xz -d 表示解压完删除压缩包，tar -v 表示显示详细的过程）。

wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xf linux-3.9.4.tar

忽略补丁中的路径的第一级目录打上补丁。

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

编译内核，这里由于 Ubantu 版本问题，需要用到 gcc7.h 版本的头文件，而查看 linux 文件夹下只有 gcc、gcc3、gcc4 三种头文件，这里可以在官网下载 gcc7 源码并找到相应的头文件，也可以偷懒的将 gcc4.h 复制一份重命名为 gcc7.h。

make allnoconfig
make

从qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。

qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

二、添加时间片轮转多道批处理功能

进入 mykernel 文件夹，可以看到 qemu 窗口输出的内容的代码 mymain.c 和 myinterrupt.c。



mymain.c 中的代码如下：



myinterrupt.c 中的代码如下：



从添加时间片轮转多道程序的代码中下载 mymain.c、myinterrupt.c、mypcb.h 三个文件，替换虚拟机中原来的内核文件。



重新编译内核并运行 QEMU，可以看到内核成功引入了多道批处理功能，进程号在0~3之间不断循环。

make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

三、代码分析

1. mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM 10
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2
#define PRIORITY_MAX 30

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
    unsigned long ip;//point to cpu run address
    unsigned long sp;//point to the thread stack's top address
    //todo add other attrubte of system thread
};

//PCB Struct
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;
    //todo add other attrubte of process control block
}tPCB;

void my_schedule(void);

该头文件中定义了两个结构体和一个函数声明，其中Thread结构体是用来描述进程信息的。

其中ip表示当前指令执行的位置，sp表示栈顶位置。PCB结构体是用来描述进程控制块的，其中pid表示进程的标识符，state表示进程的状态，建立了一个进程堆栈空间stack，task_entrly表示任务的入口，next指针指向下一个PCB指针。

2.mymain.c

PCB 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);
		}
	}
}

该 c 文件首部定义了一个进程数组、一个指向当前进程的指针，以及表示当前进程是否需要被调度的变量。然后定义了两个函数：my_start_kernel 和 my_process，分别表示内核被加载时的初始化过程和运行进程的函数。

2.1 __init my_start_kernel函数

函数首先初始化了一个pid = 0的内核中第一个进程，设置状态为 0，即 runnable。task_entry指向函数my_process()的地址，thread.sp指向stack[]栈顶，指针next指向栈中第一个元素，即自身 0 号进程。

接着，利用for循环再额外创建 最大进程数-1 个进程，并用循环链表链接起来。

最后，利用汇编代码将 0 号进程启动。

2.2 my_process函数

建立一个从 0 号进程开始不断运行的进程，并输出表明进程正在运行的语句。这里有一个 my_schedule()函数，这个函数将在myinterrupt.c中实现的，主要作用是切换进程。

3.myinterrupt.c

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 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<<<\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;
}

该文件首先定义了三个全局变量和一个计时器time_count，其次定义了两个函数：my_timer_handler和my_schedule，分别实现进程中断和进程切换功能。

3.1 my_timer_handler函数

进程中断函数中利用条件判断time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1，当时间片达到1000的整数倍时，将当前运行进程中断并打印。

3.2 my_schedule函数

进程切换程序是实现时间片轮转的主要函数，首先定义了两个PCB结构体，分别指向下一个和当前进程控制块，接着对下一个进程控制块的状态是0(runnable)，则通过汇编代码先保存现场，再实现进程的切换。

四、实验总结

操作系统在初始化时只有一个0号进程，之后的所有进程都由该进程fork而来，而进程的切换由时钟中断完成。通过修改一个简单的内核源码，增加一个时间片轮转功能，让我们更具体的体会到了操作系统底层的实现原理，对我们后续的学习会有很大的帮助。

• 参考优秀博客：https://www.zybuluo.com/windmelon/note/1421507