【MOOC EXP】Linux内核分析实验二报告

程涵 

原创博客

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

【操作系统是如何工作的】

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教学内容重要部分整理总结

1.三个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制。

• 存储程序计算机工作模型，计算机系统最最基础性的逻辑结构。

• 函数调用堆栈，高级语言得以运行的基础，只有机器语言和汇编语言的时候堆栈机制对于计算机来说并不那么重要，但有了高级语言及函数，堆栈成为了计算机的基础功能。（函数参数传递机制和局部变量存储）

• 中断，多道程序操作系统的基点，没有中断机制程序只能从头一直运行结束才有可能开始运行其他程序。

2. 堆栈

• 堆栈是C语言程序运行时必须的一个记录调用路径和参数的空间。
  • 函数条用框架
  • 传递参数
  • 保存返回地址
  • 提供局部变量空间...
• C语言编译器对堆栈的使用有一套的规则

• 了解对站存在的目的和编译器对堆栈使用的规则是理解操作系统一些关键性代码的基础。

• 堆栈相关寄存器：

  esp：堆栈指针（stack pointer）

  ebp: 基址指针（base pointer）

  cs:eip：指令寄存器(extended instruction pointer)

• ebp在C语言中用作记录当前函数调用基址。

3. 堆栈操作

• push：以字节为单位将数据（对于32位系统可以是4个字节）压入栈，从高到低按字节依次将数据存入ESP-1、ESP-2、ESP-3、ESP-4的地址单元。

• pop： 过程与PUSH相反。

• call： 用来调用一个函数或过程，此时，下一条指令地址会被压入堆栈，以备返回时能恢复执行下条指令。

• leave：当调用函数调用时，一般都有这两条指令pushl %ebp和movl %esp,%ebp，leave是这两条指令的反操作。

• ret： 从一个函数或过程返回，之前call保存的下条指令地址会从栈内弹出到EIP寄存器中，程序转到CALL之前下条指令处执行。

4. 函数堆栈框架

• 执行call function

• 进入function

  pushl %ebp //意为保存调用者的栈帧地址 movl %esp, %ebp //初始化function的栈帧地址 然后函数体中的常规操作

• 退出function

  movl %ebp,%esp popl %ebp ret

5. 函数调用约定

函数调用约定	参数传递顺序	负责清理参数占用的堆栈
__pascal	从左到右	调用者
__stdcall	从右到左	被调函数
__cdecl	从右到左	调用者

• Windows中C/C++程序的缺省函数调用约定是__cdecl linux中gcc默认用的规则是__stdcall

6.内嵌汇编语法

附：http://blog.csdn.net/scotthuang1989/article/details/39497903 某段内嵌汇编举例讲解。

__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));

"movl %1,%0"是指令模板；"%0"和"%1"代表指令的操作数，称为占位符，内嵌汇编靠它们将C 语言表达式与指令操作数相对应。

指令模板后面用小括号括起来的是C语言表达式，本例中只有两个："result"和"input"，他们按照出现的顺序分 别与指令操作数"%0"，"%1"对应；

注意对应顺序：第一个C 表达式对应"%0"；第二个表达式对应"%1"，依次类推，操作数至多有10 个，分别用"%0","%1"...."%9"表示。

在每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串，字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。

"result"前面的限制字符串是"=r"，其中"="表示"result"是输出操作数，"r" 表示需要将"result"与某个通用寄存器相关联，先将操作数的值读入寄存器，然后在指令中使用相应寄存器，而不是"result"本身，当然指令执行 完后需要将寄存器中的值存入变量"result"，从表面上看好像是指令直接对"result"进行操作，实际上GCC做了隐式处理，这样我们可以少写一 些指令。"input"前面的"r"表示该表达式需要先放入某个寄存器，然后在指令中使用该寄存器参加运算。

7.常用限定符

8.

（个人觉得例题中的0、1、2太多，容易混淆概念，如果是a,b,result来代替val1,val2,val3会更加方便）

mykernel实验内容

1.使用实验楼的虚拟机启动mykernel

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

　

每执行my_ start_ kernel函数两次或一次，my_ time_ hander函数执行一次。

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 = ;//用来判断是否需要调度的标识

void my_process(void);

void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = ;
    int i;
    /* Initialize process 0 （初始化0号进程）*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = ;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;//定义0号进程的入口：myprocess
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-];
    task[pid].next = &task[pid];//由于0号进程初始化时只有这一个进程，所以next指向自己
    /*fork more process （创建更多其他的进程）*/
    for(i=;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-];
        task[i].next = task[i-].next;
        task[i-].next = &task[i];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = ;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        //%0表示参数thread.ip，%1表示参数thread.sp。
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp 把参数thread.sp放到esp中*/
        "pushl %1\n\t"          /* push ebp 由于当前栈是空的，esp与ebp指向相同，所以等价于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 = ;
    while()
    {
        i++;
        if(i% == )
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == )
            {
                my_need_sched = ;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }
    }
}

可以看到，my_start_kernel函数中有一个循环，不停的输出my_start_kernel here

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 = ;

/*
* 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)//用于设置时间片的大小，时间片用完时设置调度标志。
{
#if 1
    if(time_count% ==  && my_need_sched != )
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = ;
    }
    time_count ++ ;
#endif
    return;
}

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

    if(my_current_task == NULL //task为空，即发生错误时返回
    || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;//把当前进程的下一个进程赋给next
    prev = my_current_task;//当前进程为prev
    if(next->state == )/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */
        /*如果下一个进程的状态是正在执行的话，就运用if语句中的代码表示的方法来切换进程*/
        asm volatile(
            "pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp 保存当前进程的ebp*/
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp 把当前进程的esp赋给%0（指的是thread.sp），即保存当前进程的esp*/
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp 把%2（指下一个进程的sp）放入esp中*/
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip $1f是接下来的标号“1：”的位置，把eip保存下来*/
            "pushl %3\n\t"          /*把下一个进程eip压栈*/
            "ret\n\t"               /* restore  eip 下一个进程开始执行*/
            "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//用于下一个进程为未执行过的新进程时。首先将这个进程置为运行时状态，将这个进程作为当前正在执行的进程。
    {
        next->state = ;
        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"          /*把当前进程的入口保存起来*/
            "ret\n\t"               /* restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }
    return;
}

my_timer_handler当时钟中断发生1000次，且my_need_sched不等于1时，my_need_sched赋值为1。

当进程发现my_need_sched=1时，就会执行my_schedule。

总结：对“操作系统是如何工作的”理解

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。