Linux内核分析课程2_操作系统是如何工作的

　　Linux内核课第二作业。本文在Ubuntu 12.04中完成

　　唐国泽 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

--------------------------------------------------------分割线----------------------------------------------------------------------------------------------------

一.计算机是如何工作的（小结）

　　计算机的工作，一言以蔽之：执行程序的过程；也就是存储程序和程序控制的过程。

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；

中断，多道程序操作系统的基点。

二.以例分析

1.一个简单的中断的例子(点击进入)

简要分析mymain.c与myinterrupt.c

void __init my_start_kernel(void) //mymain.c中主要内容
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%100000 == 0) //每循环十万次打印一次my_start_kernel here
printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here %d \n",i);
}
}

void my_timer_handler(void) //每次时钟中断调用一次 myinterrupt.c中主要内容
{
printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
}

　　可见，这只是一个很简单的时钟中断演示实验，执行结果如下所示：



　　可以清楚的看到，时钟每记数到十万的时候，打印一个my_start_kernel here，时钟中断的时候执行my_time_hander here.


2.在第一个的基础上进行时间片轮转多道程序的小os.
主要对mypcb.h,
mymain.c 和myinterrupt.c这三个文件进行分析。
/ *
linux/mykernel/mypcb.h
*
Kernel internal PCB types
*
Copyright (C) 2013 Mengning
*/
#define
MAX_TASK_NUM 4
#define
KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/*
CPU-specific state of this task */

struct Thread {//给任务定义一个eip和esp
unsigned longip;
unsigned longsp;
};

typedef struct PCB{
int pid;//任务编号
volatile long state;/*
-1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //定义栈空间
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread; //定义进程的结构体thread, 其中有eip和esp
unsigned longtask_entry;//任务的函数起始处,
也就是任务第一次执行的起始位置
struct PCB *next;//一个任务链表, 指向下一个任务
}tPCB;

void my_schedule(void);//任务调动函数



/* 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" //引入其中两个结构体表示

tPCB task[MAX_TASK_NUM];//定义两个数组
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;//定义是否调度, 1则调度, 0则不调度
void my_process(void);
void __init my_start_kernel(void) //起始函数位置
{
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]; //0号进程栈在最开始的位置
task[pid].next = &task[pid];//下一个任务也是自己，在这里，其他任务还没有创建

/*fork more process *///创建多个任务
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));//复制0号进程的结构形式
task[i].pid = i;
task[i].state = -1;//初始的任务(除0号进程外)都设置成未运行
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[i].next = task[i-1].next;//新fork的进程加到进程链表的尾部, 该新建任务的next指向上一个任务的next,也就是自己（最后一个）
task[i-1].next = &task[i]; //配置上一个任务的next指向这时候新创建的任务
}
/* start process 0 by task[0] */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];//先让0号进程先执行
asm volatile(

"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */

"pushl %1\n\t" /* push ebp ,当前esp=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 = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
if(my_need_sched == 1)//判断是否调度；该值可有itnerrupt.c中的函数来配置
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
//主动调动的机制
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}


/* 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 = 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)//时钟中断1000次的时候，调度一次, 配置调度值为1
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}

void my_schedule(void) //调度函数, 核心函数
{
tPCB * next;//定义两个指针
tPCB * prev;

if(my_current_task == NULL
//当前进程和下一进程为空, 即没有任务, 返回
|| my_current_task->next == NULL)
{

return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
/* 在调度函数中, next指向的是下一个将要被调度的任务, prev指向的是当前正在运行的任务*/
/* schedule */
next = my_current_task->next;//把当前进程的下一个进程赋值给next，当前进程赋值给prev
prev = my_current_task;

if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ //如果下一个任务不是第一次被调度, 则执行
{

/* switch to next process——这个时候下一个进程有进程上下文 */

asm volatile(

"pushl %%ebp\n\t"
/* save 当前进程 ebp */
"movl %%esp,%0\n\t"
/* save 当前 esp 赋值到prev.thread.sp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore 下一个进程的sp到 esp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save 当前进程的 eip */
"pushl %3\n\t"
//保存下一个进程eip保存到栈里面
"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)

);

my_current_task = next;

printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);

}
else//下一个进程为第一次运行时,没有进程上下文, 则以下面这种方式来处理
{
next->state = 0;
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 */x`
"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"
"ret\n\t"
/* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)

);
}
return;
}

　　以新任务切换为例进行堆栈变化分析：



　　执行结果如下图所示：