基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
- 按照https://github.com/mengning/mykernel 的说明配置mykernel 2.0,熟悉Linux内核的编译;
- 基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核,参照https://github.com/mengning/mykernel 提供的范例代码
- 简要分析操作系统内核核心功能及运行工作机制
一、配置mykernel 2.0
1. 实验环境:ubuntu 16.04LTS
2. Linux内核编译及配置mykernel 2.0
1 wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
2 sudo apt install axel
3 axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
4 xz -d linux-5.4.34.tar.xz
5 tar -xvf linux-5.4.34.tar
6 cd linux-5.4.34
7 patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
8 sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
9 make defconfig
10 make -j$(nproc)
11 sudo apt install qemu # install QEMU
12 qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行效果如下:
我们可以看到my_start_kernel在执行,与此同时my_timer_handler时钟中断也周期性的触发。
二、基于mykernel 2.0编写一个操作系统内核
在mykernel 2.0的基础上编写一个操作系统内核需要完成的是以下三项内容:
- 在linux-5.4.34/mykernel文件夹下增加mypcb.h文件;
- 修改linux-5.4.34/mykernel文件夹下mymain.c文件;
- 修改linux-5.4.34/mykernel文件夹下myinterrupt.c文件。
注:对代码的修改和理解见注释。
1. mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
// 最大进程数设为4
#define KERNEL_STACK_SIZE 2048
// 每个进程分配堆栈大小设为2048
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state; /*进程运行状态: -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE]; // 给进程分配的堆栈,为long类型数组
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry;
struct PCB *next; // 指向下一个进程PCB的指针
}tPCB;
void my_schedule(void);
2. 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]; // 进程列表
tPCB * my_current_task = NULL; // 指向当前进程PCB
volatile int my_need_sched = 0;
void my_process(void);
/*系统最先开始执行此处*/
void __init my_start_kernel(void)
{
int pid = 0;
int i;
/*初始化进程0*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0; // 设置进程运行状态为正在运行
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process; // 每个进程入口都指向my_process的起始地址
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; // 栈顶指针为数组的最高地址,栈向下增长
task[pid].next = &task[pid]; // 指向了当前进程0,当前只有一个进程
/*初始化其他进程*/
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); // 给其余进程PCB分配空间
task[i].pid = i;
task[i].thread.sp = (unsigned long)(&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]); // 每个进程分配各自的栈空间
task[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
}
/* 启动进程0 */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid]; // 当前进程指向进程0
asm volatile(
"movq %1,%%rsp\n\t" /* 把进程0栈顶地址赋给rsp寄存器 */
"pushq %1\n\t" /* 相当于push rbp */
"pushq %0\n\t" /* 将ip入栈 */
"ret\n\t" /* 将ip出栈至rip寄存器,这两步操作是因为程序员无法直接操作rip寄存器*/
:
: "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)
{
if(my_need_sched == 1) // 运行10000000次循环后判断中断标志是否置1
{
printk(KERN_NOTICE "process %d is running!\n",my_current_task->pid);
my_need_sched = 0;
my_schedule(); // 进行进程切换工作
printk(KERN_NOTICE "having changed to process %d!\n",my_current_task->pid);
}
}
}
}
3. 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; // 时钟计数1000次,发生中断
}
time_count ++ ;
return;
}
void my_schedule(void)
{
tPCB * next;
tPCB * prev;
if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL) // 当前没有进程或没有下一个进程时不进行进程切换
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>process is changing...<<<\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;
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushq %%rbp\n\t" /* save rbp of prev */
"movq %%rsp,%0\n\t" /* save rsp of prev */
"movq %2,%%rsp\n\t" /* restore rsp of next,切换至next进程的堆栈 */
"movq $1f,%1\n\t" /* save rip of prev */
"pushq %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore rip of next */
"1:\t" /* next process start here */
"popq %%rbp\n\t" /*恢复next栈底指针至rbp寄存器*/
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
4. 运行结果
重新编译后运行,结果如下:
三、操作系统内核核心功能及运行工作机制
通过本次实验,及基于mykernel2.0写一个操作系统内核,我们实现了进程的管理、进程的切换、中断机制,这些都是操作系统内核的核心功能。此外,操作系统内核的核心功能还有内存管理、文件系统、网络协议栈等核心功能。
操作系统内核运行机制:通过中断和进程切换来实现多任务处理。在进程的执行过程中,当时间片用完或者发生进程调度时,需要先保存当前进程的上下文环境,该进程被再次调用时,恢复PCB中保存的进程上下文环境,这样就实现了多道程序在一个CPU并发执行。