Linux内核分析笔记二操作系统是如何工作的 —

本文详细阐述了计算机工作原理，包括存储程序计算机工作模型、堆栈寄存器和堆栈操作、中断机制等内容。并通过实验指导，运行并分析了一个精简的操作系统内核，理解了操作系统如何实现多任务处理和中断处理。实验中展示了时间片轮转多道程序内核代码，并分析了mypcb.h文件中进程控制块（PCB）的定义和mymain.c、myinterrupt.c文件中的内核启动和中断处理逻辑。

一、知识要点

1.计算机是如何工作的？（总结）——三个法宝

存储程序计算机工作模型，计算机系统最最基础性的逻辑结构；
函数调用堆栈，高级语言得以运行的基础，只有机器语言和汇编语言的时候堆栈机制对于计算机来说并不那么重要，但有了高级语言及函数，堆栈成为了计算机的基础功能；
- enter
  - pushl %ebp
  - movl %esp,%ebp
- leave
  - movl %ebp,%esp
  - popl %ebp
- 函数参数传递机制和局部变量存储
- 了解堆栈存在的目的和编译器对堆栈使用的规则是理解操作系统一些关键性代码的基础
中断，多道程序操作系统的基点，没有中断机制程序只能从头一直运行结束才有可能开始运行其他程序。

2.堆栈寄存器和堆栈操作

堆栈相关的寄存器：esp 堆栈指针、ebp 基址指针
堆栈操作：

-push 栈顶地址减少4个字节

-pop 栈顶地址增加4个字节

其他关键寄存器

3.有压栈必有出栈，函数的返回值用eax寄存器传递

4.中断实现了多道程序设计，再各个程序的执行流之间来回切换，CPU将程序的ebp压入栈，并指向一个中断处理程序，从而由CPU和内核代码共同实现了保存现场和恢复现场

5.C代码中嵌入汇编代码的写法：

__asm__(
汇编语句模板：
输入部分：
输出部分：
破坏描述部分：)；

6.操作系统的两把剑：中断上下文和进程上下文的切换

二、实验

1.实验内容

mykernel实验指导（操作系统是如何工作的）

运行并分析一个精简的操作系统内核，理解操作系统是如何工作的

使用实验楼的虚拟机打开shell

  cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

然后cd mykernel 您可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c

使用自己的Linux系统环境搭建过程参见mykernel,其中也可以找到一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

2.实验截图

然后cd mykernel 您可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c

使用自己的Linux系统环境搭建过程参见mykernel,其中也可以找到一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

返回之后再次运行，可看到0、1、2、3几个进程相互切换。

3.源代码分析

mypcb.h

这个代码的目的是定义一个进程控制块（PCB）。

/*
*  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;//用于eip的保存 unsigned long sp;//用于esp的保存 }; typedef struct PCB{//用于表示一个进程,定义了进程管理相关的数据结构 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);//调用了my_schedule，表示调度器

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;//定义一个标志，用来判断是否需要调度 void my_process(void); void __init my_start_kernel(void) { int pid = 0;//初始化一个进程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; //定义进程0的入口为my_process task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; task[pid].next = &task[pid]; //因为一开始系统里只有进程0，所以这一行代码表示的是pid的next还是指向自己 /*fork more process */ //创建更多其他的进程，在初始化这些进程的时候可以直接拷贝0号进程的代码 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]; //每个进程都有自己的堆栈，把创建好的新进程放到进程列表的尾部，这样就完成了创建 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*/ ); } /* %0表示参数thread.ip，%1表示参数thread.sp。 movl %1,%%esp表示把参数thread.sp放到esp中； 接下来push %1，又因为当前栈为空，esp=ebp，所以等价于push ebp； 然后push thread.ip；ret等价于pop thread.ip；最后pop ebp */ void my_process(void)//定义所有进程的工作,if语句表示循环1000万次才有机会判断是否需要调度。 { 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); } } }

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) /* 用于设置时间片的大小，时间片用完时设置调度标志。 当时钟中断发生1000次，并且my_need_sched!=1时，把my_need_sched赋为1。 当进程发现my_need_sched=1时，就会执行my_schedule。 */ { #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 //task为空，即发生错误时返回 || my_current_task->next == NULL) { return; } printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n"); /* schedule */ next = my_current_task->next;//把当前进程的下一个进程赋给next prev = my_current_task;//当前进程为prev if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ { /* switch to next process */ /*如果下一个进程的状态是正在执行的话，就运用if语句中的代码表示的方法来切换进程*/ asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp 保存当前进程的ebp*/ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp 保存当前进程的esp*/ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp 把下一个进程的sp放到esp中*/ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip 保存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 /* 与上一段代码不同的是如果下一个进程为新进程时，就运用else中的这一段代码。 首先将这个进程置为运行时状态，将这个进程作为当前正在执行的进程。 */ { 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; }