阅读学习教材「庖丁解牛Linux 」第2章
学习蓝墨云班课中第三周视频「操作系统是如何工作的？」，并完成实验楼上配套实验二。
在mykernel的基础上编写一个简单的内核，在此之前进一步分析了函数调用堆栈机制，以及C语言中内嵌汇编的写法。
一、计算机“三大法宝”
存储程序计算机：将程序存放在计算机存储器中，然后按照存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序中编写好的指令执行，直至程序执行结束。
函数调用堆栈：C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间。
中断：计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用的路径和参数存储的空间，堆栈的具体作用：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供函数内部局部变量的存储空间等。
二、函数调用堆栈
2.1堆栈相关的寄存器
ESP堆栈指针
EBP基址指针
2.2堆栈操作
Push、pop
2.3其他关键寄存器
顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令
跳转/分支：执行这样的指令时，CS:EIP的值会根据程序需要被修改
Call：当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP指向被调用函数的入口地址
ret：从栈顶弹出原来保存在这里的CS；EIP的值，放入CS:EIP中
2.4用堆栈来传递函数的参数
对于32位的x86CPU来讲，通过堆栈来传递参数的方法是从右到左依次压栈
2.5函数是如何传递返回值的
程序用EAX寄存器来保存返回值，如果EAX寄存器返回的是一个内存地址，这个内存地址里面可以指向很多的返回数据，EAX寄存器可以保存返回地址。函数还可以通过参数来传递返回值
2.6堆栈还提供局部变量的空间
目前的编译器一般在函数开始执行时预留出足够的栈空间用来保护函数体内所有的局部变量。
三、“实验楼”实验二
1.打开实验楼终端，根据左侧的指南，输入相关命令行
# 注意路径是区分大小的
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4
$ rm -rf mykernel
$ patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
$ make allnoconfig
$ make
$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage2.输入最后一行指令后会出现QEMU窗口，可以看到操作系统正在运行
3.接下来查看mykernel下的mymain.c和myinterrupt.c
通过观察两个源文件，可以发现，在mymain.c的文件里，有个循环，不停地输出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。
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
4.一个简单的时间片轮多道程序
修改mykernel文件夹下mymain.c和myinterrupt.c，并新增mypcb.h
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/baImage
代码分析如下：
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。
mypcb.h
#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);
在这个文件中，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
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];
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);
}
}
}
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。
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 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。
四、总结
操作系统的核心功能是：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。