操作系统是如何工作的
基础知识
计算机的3个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈机制、中断。
堆栈是C语言程序运行时必须使用的记录函数调用路径和参数存储的空间，堆栈的具体作用有：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供函数内部局部变量的存储空间等。
堆栈相关寄存器：
- ESP：堆栈指针。
- EBP：基址指针。C语言中记录当前函数的调用基址。
- CS:EIP：指向下一条的指令地址。
- EAX：保存返回值或返回地址。
堆栈操作：
- push：入栈，栈顶地址减少4个字节（32位），将操作数放入栈顶存储单元。
- pop：出栈，栈顶地址增加4个字节（32位），将栈顶存储单元的内容取出放入操作数。
中断：当一个中断信号发生时，CPU把当前正在执行的程序的CS:EIP寄存器和ESP寄存器等都压到了内核堆栈，然后把CS:EIP指向一个中断处理程序入口，保存现场，之后执行其他程序，等重新回来再恢复现场，恢复CS:EIP和ESP寄存器等，继续执行程序。
虚拟一个x86的CPU
在实验楼上进行操作
$cd LinuxKernel/linux-3.9.4
$make allnoconfig
$make
$qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
查看mymain.c和myinterrupt.c的内容
在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核
参考GitHub上的代码进行修改
mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
#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);
mypcb.h用来定义进程控制块，包括进程标识pid、进程状态state、进程入口entry等。
mymain.c
#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;
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
" /*将进程原堆栈的栈底的地址存入ESP寄存器中*/
"pushl %1
" /*将当前ESP寄存器的值入栈*/
"pushl %0
" /*将当前进程的EIP寄存器的值入栈*/
"ret
" /*让入栈的进程EIP保存到EIP寄存器中*/
"popl %%ebp
" /*这里不会被执行，只是一种编码习惯，与前面的push结对出现*/
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
}
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
if(my_need_sched == 1)
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
}
}
}
mymain.c是内核代码的入口，负责初始化内核的各个组成部分。
myinterrupt.c
#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;
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
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<<<
");
/* schedule */
next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;
if(next->state == 0)
{
asm volatile(
"pushl %%ebp
" /* 将当前进程的EBP入栈 */
"movl %%esp,%0
" /* 将当前进程的ESP保存到PCB */
"movl %2,%%esp
" /* 将next进程的栈顶地址放入ESP */
"movl $1f,%1
" /* 保存当前进程的EIP */
"pushl %3
" /* 把即将进行的进程的代码位置标号1入栈 */
"ret
" /* 出栈标号1到EIP*/
"1: " /* 标号1，next进程开始执行的位置 */
"popl %%ebp
" /* 恢复EBP的值*/
: "=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<<<
",prev->pid,next->pid);
}
else
{
next->state = 0;
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
asm volatile(
"pushl %%ebp
" /* 将当前进程的EBP入栈 */
"movl %%esp,%0
" /* 将当前进程的ESP保存到PCB */
"movl %2,%%esp
" /* 将next进程的栈顶地址放入ESP */
"movl %2,%%ebp
" /* 将next进程的栈底地址放入EBP */
"movl $1f,%1
" /* 将当前EIP的值放入PCB */
"pushl %3
" /* 把即将进行的进程的代码入口地址入栈 */
"ret
" /* 把即将进行的进程的代码入口地址存入EIP */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
myinterrupt.c增加了进程切换的代码my_schedule(void)函数
make
运行结果：
遇到的问题
为什么使用内核源代码中使用的是printk？
通过查找博客得知：
printk在内核源码中用来记录日志信息的函数，只能在内核源码范围内使用。用法和printf非常相似，printk函数主要做两件事情：第一件就是将信息记录到log中，而第二件事就是调用控制台驱动来将信息输出。日志级别用来控制printk打印的这条信息是否在终端上显示的，当日志级别的数值小于控制台级别时，printk要打印的信息才会在控制台打印出来，否则不会显示在控制台。