OS是如何工作的
学习任务：
阅读学习教材「庖丁解牛Linux 」第2章
学习蓝墨云班课中第三周视频「操作系统是如何工作的？」，并完成实验楼上配套实验二。
云班课学习笔记：
计算机三大法宝
- 程序存储计算机 即冯诺依曼体系结构
- 函数调用堆栈 高级语言可以运行的起点就是函数调用堆栈
- 中断机制
深入理解函数调用堆栈
- 堆栈的功能
- 记录函数调用的框架
- 传递函数参数
- 保存返回值地址
- 提供函数内部局部变量的存储空间
- 堆栈相关的寄存器
- ESP：堆栈栈顶指针
- EBP：堆栈栈底指针
- 典型的堆栈操作——Push和Pop
push和pop均是由两条指令组合而成的操作，压栈push，esp减少4个字节，所以是sub和mov的复合操作；pop增加四个字节，所以是add和mov的复合操作。 - 其他关键寄存器
- CS:EIP 总是指向下一条指令地址 CS（Code Segment）是代码段寄存器 EIP是指向下一条指令的地址
- call：将CS:EIP压入栈顶，随后指向被调用函数的入口地址
- ret：从栈顶弹出原来保存在这里的CS:EIP的值，放入CS:EIP中
函数调用堆栈框架
C语言中内嵌汇编语言的写法
内嵌汇编的语法：
_asm_ _volatile_ (
汇编语句模版；
输出部分；
输入部分；
破坏描述部分；
）；
asm 是GCC的关键字asm的宏定义，是内嵌汇编的关键字。
_volatile_是GCC的关键字，告诉编译器不要优化代码，汇编指令保留原样。
同时，%作为转义字符，寄存器前面会多一个转义符号
%加一个数字代表输入、输入和破坏描述的编号。
看一个DEMO
#include <stdio.h>
int main()
{
unsigned int val1 = 1;
unsigned int val2 = 2;
unsigned int val3 = 0;
pritnf("val1:%d,val2:%d,val3:%d
",val1,val2,val3);
asm volatile(
"movl $0,%%eax
"
"addl %1,%%eax
"
"addl %2,%%eax
"
"movl %%eax,%0
"
:"=m"(val3)
:"c"(vall),"d"(val2)
);
pritnf("val1:%d,val2:%d,val3:%d
",val1,val2,val3);
return 0;
}
要特别注意，输出部分和输入部分从0开始编号，所以%1代表val1,%2代表val2,%0代表val3，c表示ecx存储器存储val1，d表示edx存储val2，=m表示内存变量存储val3
利用Mykernel实验模拟计算机硬件平台
首先在实验楼输入如下代码
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make ＃编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
结果如图所示
cd mykernel 到mykernel目录，然后查看Mymain.c源代码，可以看到如下代码
有一个my_start_kernel()函数，故名思义，应该就是内核开始的函数。里面写了一个死循环，变量i不停的自加1，每当加到100000的整数倍的时候就打印出当前的i的值。
查看myinterrrupt.c，结果如下
定义了一个my_timer_handler()的函数
只有一条打印语句， 这里有一点要注意，内核编程的打印语句是printk而不是printf。
由于芯片不断发展，目前CPU处理速度很快，所以屏幕很快地交替打印出输出信息。
下面分析mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c
首先是mypcb.h
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;//保存eip
unsigned long sp;//保存esp
};
typedef struct PCB{
int pid; //进程的id 进程的状态
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //内核堆栈
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry; //入口
struct PCB *next; //进程用链表连起来
}tPCB;
void my_schedule(void);
文件的最后声明了一个schedule函数，即调度器。
第二个main.c中的代码如下
#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]; //PCB的数组task
tPCB * my_current_task = NULL; //当前task的指针
volatile int my_need_sched = 0; //是否需要调度
void my_process(void); //声明了一个my_process函数
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;//初始化为my_process，实际上为mystartkernel
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[pid].next = &task[pid];//刚一启动只有0号进程
/*fork more process */
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); //将0号进程状态copy过来
task[i].pid = i;
task[i].state = -1;
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; //每个进程有自己的堆栈
task[i].next = task[i-1].next; //指向下一个进程
task[i-1].next = &task[i]; //新fork的进程加到进程列表的尾部
} //创建了MAX_TASK_NUM个进程
/* start process 0 by task[0] */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid]; //当前的进程是0号进程
asm volatile(
"movl %1,%%esp
" /* set task[pid].thread.sp to esp */ //第一号（task[pid].thread.sp）参数放到esp
"pushl %1
" /* push ebp */ //当前堆栈空，esp==ebp
"pushl %0
" /* push task[pid].thread.ip */ //当前ip压栈
"ret
" /* pop task[pid].thread.ip to eip */ //ret后0号进程正式启动
"popl %%ebp
"
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
//构建起来了cpu的运行环境（0号进程设定的堆栈和0号进程的入口）
}；内核初始化完成，把0号进程启动起来了
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);//执行一千万次输出一个，这是几号进程
if(my_need_sched == 1) //是否需要调度
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
}
}
}//主动调度机制
接下来是myinterrupt.c里面的代码
#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; //把全局的东西extern来
volatile int time_count = 0; //时间计数
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) //时钟中断发生1000次并且my_need_sched不为1(设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志，时间片变小调度更频繁)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
my_need_sched = 1; //当进程执行到的时候，发现为1，调度一次，执行一下my_schedule
}
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; //当前进程的下一个进程赋给next
prev = my_current_task;
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
/* switch to next process */ //两个正在运行的进程之间做进程上下文切换
asm volatile(
"pushl %%ebp
" /* save ebp */
"movl %%esp,%0
" /* save esp */
"movl %2,%%esp
" /* restore esp */
"movl $1f,%1
" /* save eip */
"pushl %3
"
"ret
" /* restore eip */
"1: " /* next process start here */
"popl %%ebp
"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
); //进程切换的关键代码
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
}
else //切换到新进程的方法
{
next->state = 0; //进程设置为运行时状态
my_current_task = next; //进程作为当前正在执行的进程
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
asm volatile(
"pushl %%ebp
" /* save ebp */
"movl %%esp,%0
" /* save esp */
"movl %2,%%esp
" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp
" /* restore ebp */
"movl $1f,%1
" /* save eip */
"pushl %3
" //把当前进程的入口保存起来
"ret
" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
最后将这些代码复制到对应的文件里面去，保存（原本没有mypcb.h文件，所以要另外创建一个mypcb.h），再回到~/linux-3.9.4目录下，
输入命令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage 但是发现结果仍然和刚才模拟计算机硬件平台时的结果一样，想了好久发现是自己没有编译~
输入make 编译一遍，再执行命令qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
就可运行刚刚的代码了，结果如图所示
学习中的问题
Mymain.c以及mypcb.c中的函数名void __init my_start_kernel(void) 是否是Linux内核中约定好的呢?