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。