基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

时间:2021-11-23 06:52:32

基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

学号:282

原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

一、实验目的

基于mykernel,完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码并分析。

二、实验步骤

1. 环境搭建

环境为 Linux QEMU,实验楼网站中直接打开即可食用。

  1. 在实验楼终端中执行下列命令对内核进行打补丁操作

    cd LinuxKernel/linux-3.9.4
    rm mykernel -rf
    patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
  2. 编译源码

    make allnoconfig
    make
  3. 编译成功后,使用QEMU工具来显示代码执行过程。内核成功启动!

    基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

2. 基于mykernel实现时间片轮询多道进程

通过上面的步骤,我们将孟宁老师GitHub上面myinterrput.c和mymain.c 替换掉mykernel中的文件,将mypcb.h移动到相同文件夹下。

  1. git克隆源码

    git clone https://github.com/mengning/mykernel.git

    基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

  2. 替换原代码

    基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

  3. 重新编译和运行

    基于mykernel完成时间片轮询多道进程的简单内核

3. 源码分析

  • mypcb.h, 此头文件主要用于定义进程控制块

    /*
     *  linux/mykernel/mypcb.h
     *
     *  Kernel internal PCB types
     *
     *  Copyright (C) 2013  Mengning
     *
     */
    
    #define MAX_TASK_NUM        4
    #define KERNEL_STACK_SIZE   (unsigned long)1024*2  
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread {
        unsigned long     ip;
        unsigned long     sp;
    };
    
    typedef struct PCB{
        // 进程号
        int pid;
        // -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
        volatile long state;  
        // 进程堆栈
        unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
        // CPU-specific state of this task 
        struct Thread thread;
        // 入口事件
        unsigned long task_entry;
        // 下一个pcb块的位置
        struct PCB *next;
    }tPCB;
    
    void my_schedule(void);

    由代码可知,mypcb.h主要通过结构体的方式定义了进程的基本信息:进程状态、进程id以及进程的堆栈信息等,其余信息已在注释中表明。

  • 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 */
        {        
          my_current_task = next; 
          printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
          /* 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)
          ); 
        }  
        return;   
    }

    由以上代码可知,myinterrupt.c主要实现两个函数:my_time_handler和my_schedule。

    • my_time_handler(), 每1000毫秒产生一个时钟中断,同时设置my_need_sched=1mymain.c中的函数就会调用my_schedule()以执行进程切换的操作。
    • my_schedule(),用于进程的切换操作。
      1. 声明next,pre指针执行下一个需要调度的进程和上一个进程
      2. 判断下一个需要调度的进程的状态值,为0则切换
      3. 通过汇编实现进程的切换。保存现场,将当前线程相关内容入栈,上一线程相关内容出栈,然后切换线程ip;
  • 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].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1] - 1) = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-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 */
          : 
          : "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);
            }     
        }
    }

    mymain.c中,主要是进程的初始化并负责启动进程:

    1. 初始化一个进程 。为其分配进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体等,并将其next指针指向自己。
    2. 初始化更多的进程 。根据第一个进程的部分资源,包括内存拷贝函数的运用,将0号进程的信息进行了复制,修改pid等信息。
    3. 设置当前进程 。因为是初始化,所以当前进程就决定给0号进程了,通过执行嵌入式汇编代码,开始执行mykernel内核。
    4. my_process函数。每10000000次,打印当前进程的pid,全局变量my_need_sched,通过对my_need_sched进行判断,若为1,则通知正在执行的进程执行调度程序,然后打印调度后的进程pid。

三、实验总结

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
通过本次实验:

  1. 为什么要进行处理机调度?
    在多道程序系统中,进程的数量往往多于处理机的个数,进程争用处理机的情况在所难免。处理机调度是对处理机进行分配,按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程并发执行。
  2. 什么时时间片轮转调度算法?
    系统将所有就绪进程按到达时间的先后次序排成一个队列,进程调度总是选择就绪队列中的第一个进程执行,即先来先服务,但仅能运行一个时间片,如100ms。在使用完一个进程片后,即使进程还未完成,它也必须释放处理机给下一个就绪的进程,然会回到就绪队列的末尾重新排队。
  3. 操作系统(内核)是如何工作的?
    • Linux是一个多进程的操作系统,所以,其他的进程必须等到正在运行的进程空闲CPU后才能运行。
    • 进程是动态执行的实体,内核是进程的管理者。进程不但包括程序的指令和数据,而且包括程序计数器和CPU的所有寄存器以及存储临时数据的进程堆栈。
    • 系统有一个进程控制表(process table),一个进程就是其中的一项。