《Linux内核分析》
第二章 操作系统是如何工作的
2.1 函数调用堆栈
- 3个关键性的方法机制（3个法宝）
- 存储程序计算机
- 函数调用堆栈机制
- 中断
- 堆栈相关的寄存器
- ESP：堆栈指针（stack pointer）
- EBP：基址指针（base pointrer），在C语言中用作记录当前函数调用基址。
- 堆栈操作
- push：栈顶地址减少4个字节（32位），并将操作数放入栈顶存储单元。
- pop：栈顶地址增加4个字节（32位），并将栈顶存储单元的内容放入操作数。
- 栈是从搞地质向低地址增加的。
- 其他关键寄存器
- CS:EIP总是指向下一条的指令地址（CS就是代码段寄存器，EIP总是指向下一条的指令地址）。
- 顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令。
- 跳转/分支：执行这样的指令是，CS:EIP的值会根据程序需要被修改。
- call：将当前CS:EIP的值压入栈顶，CS:EIP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。
- 堆栈是CPU指令集的一部分。
- CS:EIP总是指向下一条的指令地址（CS就是代码段寄存器，EIP总是指向下一条的指令地址）。
- 函数是如何传递返回值的
- 保存返回值，就是程序用EAX寄存器来保存返回值。
- 多个返回值，EAX寄存器返回的是一个内存地址。
- 函数体内的局部变量是通过堆栈来存储的。
2.2 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
- 2.2.1 内嵌汇编
- 语法：
_asm_ _volatile_(
汇编语句模板：
输出部分：
输入部分：
破坏描述部分
）
答案是0,1
- 2.2.2 虚拟一个x86的CPU硬件平台
-首先搭建一个虚拟的平台，虚拟一个x86的CPU，然后使用Linux的源代码把CPU初始化配置好，并配置好整个系统，开始执行编写的程序。- 用到的命令：
//注意路径是区分大小的
$ cd ~/LinuxKernel/linux-3.9.4
$ rm -rf mykernel
$ patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
$ make allnoconfig
//编译内核请耐心等待
$ make
$ qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
- 搭建起来后的内核启动效果如下：
2.3 在mykernel基础上构造一个简单的操作系统内核
-
实验代码分析
- mypcb.h
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#define MAX_TASK_NUM 4 /*定义最大任务数*/
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8 /*定义堆栈大小*/
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{ /*定义进程控制块*/
int pid; /*进程的ID*/
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; /*当前进的堆栈*/
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry; /*入口*/
struct PCB *next;
}tPCB;
void my_schedule(void); /*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]; /*数组*/
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0; /*是否需要调度的标志*/
void my_process(void);
void __init my_start_kernel(void) /*内核入口。初始化并启动0号进程*/
{
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; /*将创建的进程加到进程列表的尾部*/
task[i-1].next = &task[i];
}
/* start process 0 by task[0] */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
asm volatile(
"movl %1,%%esp
" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1
" /* push ebp */
"pushl %0
" /* push task[pid].thread.ip */
"ret
" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
"popl %%ebp
"
:
: "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) /*循环1000万次才有一次机会判断是否需要调度*/
{
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);
}
}
}
- 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) /*设置时间片大小，时间片用完时设置一下调度标志*/
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
my_need_sched = 1; /*调度执行my_schedule(void)*/
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}
void my_schedule(void) /*进程上下文的切换*/
{
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)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
/* switch to next process */
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)
);
}
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
" /* save ebp */
"movl %%esp,%0
" /* save esp */
"movl %2,%%esp
" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp
" /* restore ebp */
"movl $1f,%1
" /* save eip */
"pushl %3
"
"ret
" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}