自己动手写一个操作系统内核【内含视频】

用mykernel 2.0虚拟一个x86-64的CPU硬件平台

一个操作系统那么复杂，它本质上是怎么工作的呢？接下来要做一个有趣的实验。

“天下大事必作于细，天下难事必作于易”。首先搭建一个虚拟的平台，虚拟一个x86-64的CPU，然后使用Linux内核源代码把虚拟CPU初始化配置好时钟中断和程序入口，就可以开始编写自己的操作系统内核了。

为了便于理解实验内容，这里简要介绍中断的基本概念。中断最初用于避免CPU轮询I/O设备，就绪状态发生时让I/O设备主动通过中断信号通知CPU，大大提高了CPU在输入输出上的工作效率，这就是硬件中断（外部中断）。后来随着中断适用范围扩大，比如解决机器运行过程出现的异常情况以及系统调用的实现等，这就产生了软件中断（内部中断），也称为异常，软件中断又分为故障（fault）和陷阱（trap）。

简而言之，在没有中断机制之前，计算机只能一个程序一个程序地执行，也就是批处理，而无法多个程序并发工作。有了中断机制，CPU帮我们做了一件事情，就是当一个中断信号发生时，CPU把当前正在执行的进程X的CS:RIP寄存器和RSP寄存器等都压栈到了一个叫内核堆栈的地方，然后把CS:RIP指向一个中断处理程序的入口，做保存现场的工作，然后去执行其他进程比如Y，等重新回来时再恢复现场，即恢复CS:RIP寄存器和RSP寄存器等到CPU上继续执行原进程X。显然中断机制在计算机系统中发挥着关键作用。

需要说明的是基于mykernel虚拟一个x86-64的CPU硬件平台已经把保存现场和恢复现场的复杂工作已经帮我们完成了，而且为了简化起见mykernel只提供了一个周期性发生的时钟中断。虚拟的CPU硬件平台中模拟了时钟中断，每隔一段时间，发生一次时钟中断，这样我们就有基础写一个时间片轮转调度的操作系统内核，这也是后面的实验目标。下面来具体看看如何基于mykernel虚拟一个x86-64的CPU。先来看如何把这个虚拟的x86-64 CPU实验平台mykernel搭建起来。

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.3.34.patch
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.3.34.patch
sudo apt install build-essential gcc-multilib
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

搭建起来后的内核启动效果如图所示，从QEMU窗口中您可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。

在Linux-5.3.34内核源代码根目录下进入mykernel目录，可以看到QEMU窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c ，当前有一个虚拟的CPU执行C代码的上下文环境，可以看到mymain.c中的代码在不停地执行。同时有一个中断处理程序的上下文环境，周期性地产生的时钟中断信号，能够触发myinterrupt.c中的代码。这样就通过Linux内核代码模拟了一个具有时钟中断和C代码执行环境的硬件平台。您只要在mymain.c的基础上继续写进程描述PCB和