时间片轮转多道程序运行原理

一、概述

　　本文通过分析一个简单的时间片轮转多道程序的内核 mykernel，来理解操作系统是如何工作的。

　　mykernel 是孟宁老师的一个开源项目，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，添加与修改部分代码实现的（详情点 此处）。未加入进程管理功能的 mykernel，会在初始化后，周期性地执行时间中断处理程序。在实验楼虚拟机的终端输入以下指令（图形模式下），即可运行 mykernel 。运行时效果如下：

　　可以看出，这个系统目前只是简单地不停输出“my_timer_handler here ”、“my_start_kernel here”等字样。通过查看源码，可以发现这些输出字符串分别位于 mymain.c 和 myinterrupt.c 中。只要在此基础上，再加入进程描述 PCB 和进程链表管理、进程切换等代码，一个可运行的小OS kernel 就完成了。下面便开始逐步实现这些功能（本文所有代码均由孟宁老师提供，笔者只分析其功能与实现原理）。

二、添加 PCB 描述信息

　　为了实现进程管理，需要先引入进程块描述信息，我们将其放入一个新的头文件 mypcb.h 中。

/*
 *  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;
};

/* Processing Control Block */
typedef struct PCB
{
    int pid;
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

void my_schedule(void);     /* code in myinterrupt.c */

　　由代码可知，一个 PCB 的相关信息，是通过结构体进行封装的，其组成元素的含义及用途，由变量名及注释即可知其意，就不详述了。

三、PCB初始化（修改 mymain.c ）

　　未修改前， mymain.c 中只有如下一个初始化函数，周期性地输出当前运行位置：

void __init my_start_kernel(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%100000 == 0)
            printk(KERN_NOTICE "my_start_kernel here  %d \n",i);            
    }
}

　　显然，进程块的初始化信息也应添加到这个初始化函数中。

#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*/
	);
}   

　　

　　原来的初始化函数中的打印输出信息，就交由 my_process() 处理了，并调用了进程调度管理程序。

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);
        }     
    }
}

四、时间片分配（修改 myinterrupt.c ）

　　未修改前，时间中断处理函数my_timer_handler（）内只有一条标识位置的打印输出指令：

void my_timer_handler(void)
{
    printk(KERN_NOTICE "\n>>>>>>>>>>>>>>>>>my_timer_handler here<<<<<<<<<<<<<<<<<<\n\n");
｝

　　现在我们修改下，让其支持进程的时间片轮转功能：

#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;  	
}

　　现在的 my_time_handle() 所执行的主要功能为：每被中断调用1000次，且没有需要调度的进程时，就将全局变量 my_need_sched 置为1（中断返回后，正在执行的进程就会执行调度程序 my_schedule()）。进程每次执行的时间片长度由 time_count 控制。

五、进度调度（ 置于 myinterrupt.c 中 ）
　　当一个进程执行完毕，或用完所分配的时间片后，就会让位给其他进程运行。进程切换功能由 my_schedule() 实现。

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;	
}

</pre><pre name="code" class="cpp"><img src="https://img-blog.youkuaiyun.com/20160306110638573" alt="" style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);" />

my_schedule() 的流程如下：

（未定稿）