简单的时间片轮转多道程序内核代码分析

本次实验模拟的是操作系统如何进行工作的，对于理解操作系统有很大的帮助。

本次实验主要有三个文件,mypcb.h、mymain.c、myinterrupt.c

mypcb.h

#define MAX_TASK_NUM        4
/*定义了最大任务数量*/
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8
//定义了内核堆栈的大小

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long       ip;   //eip
unsigned long       sp;    //esp
};     //定义了一个结构体用来保存当前ip和sp

typedef struct PCB{
int pid;    //进程号
volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
//内核堆栈大小
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
//一个Thread类型的结构体变量thread
unsigned long   task_entry; //程序入口
struct PCB *next; //用来将PCB链接起来的链表
}tPCB;

void my_schedule(void); //声明进程调度函数

此文件主要定义了一个PCB结构体，也就是所谓的进程管理块，用来记录进程的有关信息。

mymain.c

#include "mypcb.h"

tPCB task[MAX_TASK_NUM];
//定义了一个类型为PCB的task数组
tPCB * my_current_task = NULL;
//定义了一个PCB类型的指针变量并且初值为空
volatile int my_need_sched = 0;  //进程是否需要调度的标志位

void my_process(void);
//声明函数
void __init my_start_kernel(void) //对内核进行初始化
{
int pid = 0;  //定义0号进程
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;  //定义了0号进程的入口为my_process方法的首地址
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].state = -1;
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 esp */
"pushl %1\n\t"          /* 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*/
); //将0号进程交给cpu进行处理
}
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)  //
{
my_need_sched = 0; //将标志位置0
my_schedule();  //执行my_schedule()方法
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}

该文件就是完成了内核的初始化工作，并且创建了4个进程，进程从0号开始执行，并且根据标志位判断进程是否需要调度，当标志位为1时表示进程需要调度，此时会执行my_schedule()方法来完成相应的调度。

my_interrupt.c

#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;  //时间计数器

/*
* 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) //时间中断程序
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n"); //如果计数器为1000并且标志位不等于1那么执行此条语句
my_need_sched = 1; 标志位置1
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}

void my_schedule(void)
{
tPCB * next; //表示下一个运行的进程
tPCB * prev; //表示当前正在运行的进程

if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
} //如果当前任务为空或者没有其他进程需要执行返回
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 */
{
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
"movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"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)
);   //嵌入式汇编保存了当前进程的PCB信息用来为进程调度做准备
my_current_task = next;  //调度下一进程
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
}
else
{
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 */
"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;
}

此文件主要是产生时钟中断，用一个时间计数器周期性的检查循环条件，当条件满足时便会产生中断，并将进程调度标志位置1，当标志位为1时，进程便会执行my_schedule()方法，首先将当前进程的信息通过嵌入式汇编语句保存到堆栈当中，然后将下一个进程的地址赋给当前运行程序的指针，完成调度。

总结：计算机多道程序的处理的关键机制是中断机制，cpu为每一个进程创建了一个pcb，此pcb中保存了所有关于进程的相关信息，cpu有一个固定大小的时间片，当时间片结束的时候cpu会产生时钟中断，并且将进程有关信息通过嵌入式汇编将进程交给cpu处理，保存上下文环境到堆栈当中，当程序执行完毕后，从堆栈当中恢复上下文，当进程执行完毕后或者没有进程将要执行那么程序结束。

陈思宇 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/USTC1000029000