分析时间片轮转多道程序内核代码
使用实验楼平台 编译内核
操作步骤
首先进入实验楼环境，然后按如下步骤来一步一步编译内核，使用qemu模拟器来进行模拟
# 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
操作流程
写入代码
mypcb.h文件
#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);
PCB是进程管理块，这里定义了两个数据结构和一个函数,PCB是记录进程管理和控制信息的数据结构。
myinterrupt.c
#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(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
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 rbp of prev */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save rsp of prev */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore rsp of next */
"movl $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore rip of next */
"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;
}
这里是进程的切换的代码，有了中断机制后进程才可以并发执行，比如有四个进程A,B,C,D，有20s时间先2s给A,3s给B,4s给C,5s给D，剩下时间又执行A,B,C,D，直到所有进程执行结束，这就是时间片轮转的算法。这里给出了my_schedule(进程切换)函数的算法逻辑。
mymain.c
#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].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 rsp */
"pushl %1\n\t" /* push rbp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to rip */
:
: "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);
}
}
}
这是内核的入口，这个文件中写了进程描述与进程链表管理等逻辑。
执行代码
将上述代码写入后,make一下，再输入指令
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
得到的结果如下:
四个进程来回切换。
代码分析
在这些代码中出现了形如
asm volatile();这样的形式，这是内嵌汇编代码。
asm volatile(
汇编语句模块:
输出部分:
输入部分:
破坏描述部分
);
在mymain.c中有一段内嵌汇编代码
asm volatile(
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to rsp */
"pushl %1\n\t" /* push rbp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to rip */
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
这里%1是"d" (task[pid].thread.sp)，%0是"c" (task[pid].thread.ip)。
纠正:以下ebp用esp更加恰当
第一行代码是进程初始化
第二行代码是压栈(d为当前ebp寄存器的值)
第三行代码同样是压栈(当前进程eip)
第四行代码将当前进程eip存入eip寄存器中。(这一段很重要，将要执行进程0，因为eip决定了代码执行的顺序)
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save rbp of prev */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save rsp of prev */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore rsp of next */
"movl $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore rip of next */
"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)
);
因为之前已经有个进程0，根据代码逻辑我们的进程0就是prev，这里是根据头文件相当于定义了一个链表，有prev和next。
这里与之前那段汇编类似，%0就是prev->thread.sp，%1就是prev->thread.ip,%2就是next->thread.sp，%3就是next->thread.ip。
执行第一行就是将当前进程(进程0)的ebp压入栈。
"pushl %%ebp\n\t"
"movl %%esp,%0\n\t"
这是保存进程上下文，将当前进程(进程0)的esp寄存器保存到这个%0(prev->thread.sp)中。
"movl %2,%%esp\n\t"
将%2(next->thread.sp)保存到ebp寄存器，也就是切换到了下一个进程(进程1)。
"movl %2,%%ebp\n\t"
这个是进程1是个空栈，这样操作可以使ebp与esp都指向栈底。
"movl $1f,%1\n\t"
将$lf保存到%1(prev->thread.ip)中。
"pushl %3\n\t"
将%3(next->thread.ip)压入栈中
"ret\n\t"
将next进程栈中的next->thread.ip出栈到eip寄存器
"1:\t"
执行进程1
后面就是进程1结束弹栈，同样的道理进程2 3也是这样，这个程序就是进程0 1 2 3四个进程的来回切换。
操作系统如何工作
这一部分主要是进程的切换，在操作系统中有时间片轮转的内核，就是实现进程的不断变化，本质就是中断机制，每个进程就是一个进程栈，通过esp与ebp的变换实现不同进程的切换。(我不知道这是不是对的，只是个人理解，我感觉还是有点云里雾里，希望各位大佬指正)