孙业毅 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

第二讲 操作系统是如何工作的？ 

@2015.03

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1. mykernel简介

这个是由孟老师建立的一个用于开发您自己的操作系统内核的平台，它基于Linux Kernel 3.9.4 source code. 您可以在这里找到mykernel的源代码 https://github.com/mengning/mykernel 并按照上面的指南部属到您的系统上。您也可以使用实验楼http://www.shiyanlou.com/courses/195提供的虚拟机，它上面已经部属好了这个平台，按照实验2的步骤即可找到并运行这个平台框架。本文的实验就是在实验楼完成的。

 

使用实验楼的虚拟机打开shell，输入下面的两条命令，即可以启动mykernel，

l cd LinuxKernel/linux-3.9.4

l qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

这是运行截图：

 

 

在QEMU窗口，我们可以看到一个简单的操作系统已经跑起来了，当然这个系统很简单，只是不停的输出一些字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here 。

然后关闭qemu窗口，cd mykernel ，我们可以找到输出这些字符串的源代码mymain.c和myinterrupt.c

打开这两个文件，我们可以看到，在mymain.c的my_start_kernel函数中

 

有一个循环，不停的输出 my_start_kernel here.

在myinterrupt.c中，可以看到一个会被时钟中断周期调用的函数my_timer_handler ，在这个函数里，会输出类似>>>>>my_timer_handler here <<<<< 的字符串。

 

  

这两个函数的输出，就是前面我们这QEMU窗口中看到的内容。

通过这个实验我们可以知道，mykernel系统启动后，会

• 调用my_start_kernel函数
• 周期性的调用my_timer_handler函数

我们只要编写这两个函数，完成系统进程的初始化和进程的轮转调度，就可以写出一个简单的操作系统了！

 

 

2. 一个简单的时间片轮转多道程序

通过上面的分析，我们再来看一个稍微复杂一点的实验，这个实验也就是扩展了my_start_kernel和my_timer_handler函数，模拟了一个基于时间片轮转的多道程序。

我们先做实验，再来分析代码。

（1）从这里获取实验用的源代码，https://github.com/mengning/mykernel，主要就这三个文件：mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c

（2）在实验楼的虚拟机环境中，将这三个文件拷贝到mykernel平台中，即要覆盖前文所述的mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增mypcb.h

（3）回到 LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹，使用下面的命令编译、运行

• make allnoconfig
• make
• qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

 

效果如下：

 

从QEMU的图中可以看出，系统从执行process1切换到process2的过程。

（4）源代码分析

这里主要分析上面实验中改写的三个文件，其作用简述如下，

• mypcb.h ： 进程控制块PCB结构体定义。
• mymain.c： 初始化各个进程并启动0号进程。
• myinterrupt.c：时钟中断处理和进程调度算法。
  

详细分析：首先打开mypcb.h，

/*
 *  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 {
    unsigned long		ip;
    unsigned long		sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char 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);

在这个文件里，定义了 Thread 结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp，PCB结构体中的各个字段含义如下

pid：进程号

state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0

stack：进程使用的堆栈

thread：当前正在执行的线程信息

task_entry：进程入口函数

next：指向下一个PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。

这里还有一个函数的声明 my_schedule，它的实现在my_interrupt.c中，在mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。

再来看看文件 mymain.c ,

	/*
	 *  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"

	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].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*/
		);
	}   
	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;
					my_schedule();
				}
				printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
			}     
		}
	}

正如前文所述，这里的函数 my_start_kernel 是系统启动后，最先调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。

另外，在 my_process 也会检查一个全局标志变量 my_need_sched，一旦发现其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。

0号线程的启动，采用了内联汇编代码完成，详细参见源码中的注释。

再来看看最后一个文件，myinterrupt.c

/*
 *  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)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    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 */
    {
    	/* 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)
    	); 
    	my_current_task = next; 
    	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;	
}

这里 my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就去将全局变量my_need_sched的值修改为1，通知正在执行的进程执行调度程序my_schedule。在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种情况，一种情况是下一个进程没有被调度过，另外一种情况是下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。进程切换依然是通过内联汇编代码实现，无非是保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中，详见代码中的注释。

3.总结

通过本讲的学习和实验，我们知道操作系统的核心功能就是：进程调度和中断机制，通过与硬件的配合实现多任务处理，再加上上层应用软件的支持，最终变成可以使用户可以很容易操作的计算机系统。