一、实验：完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

在LinuxKernel/linux-3.9.4目录下查看mymain.c和myinterrupt.c的代码，为了完成实验，需将其中代码进行相应修改。

未修改mymain.c中的代码：

未修改的myinterrupt.c代码：

通过对教材的理解和GitHub上代码的查看，对两个文件进行相应的代码修改。

对mymain.c进行相应的修改，这里是mykernel内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。以下为相应修改后的代码：

#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].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,%%rsp\n\t" 	/* set task[pid].thread.sp to rsp */

    	"pushl %1\n\t" 	        /* push rbp */

    	"pushl %0\n\t" 	        /* push task[pid].thread.ip */

    	"ret\n\t" 	            /* pop task[pid].thread.ip to rip */

    	:

    	: "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)

        {

            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);

        }

    }

}

接下来修改myinterrupt.c，主要是增加了进程切换的代码my_schedule(void)函数。修改后代码如下：

#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;

    }

    time_count ++ ;

    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 */

    {

    	my_current_task = next;

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

    	/* switch to next process */

    	asm volatile(

        	"pushl %%rbp\n\t" 	    /* save rbp of prev */

        	"movl %%rsp,%0\n\t" 	/* save rsp of prev */

        	"movl %2,%%rsp\n\t"     /* restore  rsp of next */

        	"movl $1f,%1\n\t"       /* save rip of prev */

        	"pushl %3\n\t"

        	"ret\n\t" 	            /* restore  rip of next */

        	"1:\t"                  /* next process start here */

        	"popl %%rbp\n\t"

        	: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)

        	: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)

    	);

    }

    return;

}

然后增加一个mypch.h，用来定义进程控制块，代码如下：

#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2

/* 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 */

    unsigned long 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);

最后make重新编译。

二、学习总结

1.堆栈相关的寄存器

ESP：堆栈指针

EBP：基址指针

2.堆栈操作

堆栈主要用到的操作是push和pop，在上一章的课程中已经熟悉。

3.其他关键寄存器

了解了CS寄存器。一般程序都至少会用到标准库，整个程序会有多个代码段。

*顺序执行：总是指向地址连续的下一套指令。

*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：将当前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。

4.用堆栈来传递函数的参数

对32位x86CPU来讲，通过堆栈来传递参数的方法时从右到左依次压栈。

5.了解了函数如何传递返回值，堆栈还提供局部变量的空间，编译器使用堆栈的规则。

三、学习总结和遇到的问题

第二章的学习让我了解了计算机的三个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈机制和中断机制；学习了借助linux内核部分源代码模拟存储程序计算机工作模型及时钟中断。

思考了一个问题：为什么应用程序不能直接访问硬件而是通过操作系统？

原因是计算机运行时，内核是被信任的第三方，只有内核可以执行特权指令。这是为了方便应用程序。

巴特西

2020-2021-1 20209306 《linux内核原理与分析》第三周作业