安大大 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux操作系统分析》MOOC课程

天下大事必作于细，天下难事必作于易

早期的计算机在没有中断的时候，只能执行完一个程序之后，再执行另外一个程序。有了中断之后，就有了多道程序设计。当一个中断信号发生的时候，CPU把当前的eip，esp，ebp都压到一个叫内核堆栈的另外一个堆栈里。然后把eip指向中断处理程序的入口。即保存现场，执行中断处理程序。由CPU和内核代码共同实现了保存现场和恢复现场。

实验

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch #打补丁
make allnoconfig
make #编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

运行起来的情形：

mymain.c文件内容：

my_start_kernel之前都是硬件初始化的东西，从my_start_kernel函数开始，这就是操作系统的入口，开始启动操作系统。每循环十万次，打印一次"my_start_kernel here"，值改的越大，打印的速度就越慢。改完之后make一下。

myinterrupt.c文件的内容：

每次时钟中断它都调用一次printk。怎样获取时钟中断，进入始终中断处理程序入口，linux内核的代码已经处理好了。只需要在中断发生的时候，做一些实际的中断处理。

C代码中嵌入汇编代码

语法格式 asm("汇编语句":"输出部分":"输入部分":"破坏描述部分");

例子程序，实现val1+val2=val3

#include <stdio.h>
int main()
{
    /* val1+val2=val3 */
    unsigned int val1 = 1;
    unsigned int val2 = 2;
    unsigned int val3 = 0;
    printf("val1:%d,val2:%d,val3:%d\n",val1,val2,val3);
    asm volatile(
    "movl $0,%%eax\n\t" /* clear %eax to 0*/
    "addl %1,%%eax\n\t" /* %eax += val1 */
    "addl %2,%%eax\n\t" /* %eax += val2 */
    "movl %%eax,%0\n\t" /* val2 = %eax*/
    //从输出部分到输入部分的变量，从零开始计，分别是%0，%1，%2，数字表示第几个参数。
    : "=m" (val3) /* output =m mean only write output memory variable*/
    : "c" (val1),"d" (val2) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
    printf("val1:%d+val2:%d=val3:%d\n",val1,val2,val3);
    return 0;
}

在mykernel基础上构造一个简单的OS内核( 代码分析在注释当中 )

mypcb.h 进程控制块

#define MAX_TASK_NUM 4 // max num of task in system
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8

struct Thread {
    unsigned long       ip;//存储eip 
    unsigned long       sp;//存储esp 
};
typedef struct PCB{//定义进程管理相关的数据结构
    int pid;//进程的id 
    volatile long state;//进程的状态    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];//当前进程的堆栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long   task_entry;//入口 （指定的） 
    struct PCB *next;//进程链表 
}tPCB;

void my_schedule(void);//调度器

mymain.c 内核初始化和0号进程启动

#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类型数组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);//函数声明

void __init my_start_kernel(void)//初始化 
{
    int pid = 0;
    /* Initialize process 0 初始化0号进程的数据结构*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;//状态是正在运行 /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    // set task 0 execute entry address to my_process
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;//起点，入口，my_process实际上是my_start_kernel
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];//刚启动，指向自己，系统里只有0号进程，没有其他进程 
    /*fork more process 创建更多的进程*/ 
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));//把0号进程的状态copy过来
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];//每个进程都有它自己的堆栈
        task[i].next = task[i-1].next;//新fork的进程加到进程列表的尾部 
        task[i-1].next = &task[i];
    }
    /* start process 0 by task[0] 启动0号进程，使0号进程开始执行*/
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];//当前的进程就是0号进程
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp 把第一号参数task[pid].thread.sp放入esp */
        "pushl %1\n\t" /* push ebp 当前栈是空的，esp=ebp，所以直接push了1号参数sp*/
        "pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip push当前的ip*/
        "ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip ,pop的eip,my_process的头部*/
        "popl %%ebp\n\t"// ret之后0号进程正式启动了,这几句汇编就按照0号进程设定的堆栈和0号进程的入口构建起来了CPU的运行环境
        :
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
        //到这里my_start_kernel的工作就做完了，内核的初始化工作完成，并且启动了0号进程
);
}
void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)//循环1000万次判断一下是否需要调度 
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);//主动调度 
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();  
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }
    }
}//end of my_process

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;

/*
* 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)
{
#if 1
    // make sure need schedule after system circle 100 times.
    if(time_count%100 == 0 && my_need_sched != 1)//设置时间片的大小，时间片用完时设置一下调度标志 
    {
        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 there no task running or only a task ,it shouldn't need schedule
    if(my_current_task == NULL
        || my_current_task->next == NULL)
    {
     return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */

    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;//当前进程是prev
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {//save current scene
         my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
     /* switch to next process */
     asm volatile(  //两个正在运行的进程之间做进程上下文切换 
         "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
         "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
         "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
         "movl $1f,%1\n\t" /* save eip  $1f是指接下来的标号1：的位置*/
         "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)
     );
  }
    else//新的进程，从来没有执行过
    {
        next->state = 0;//把这个进程置为运行时状态 
        my_current_task = next;//这个进程做为当前的进程 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
     /* switch to new process 切换到一个新进程*/
     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 从来没有执行过，所以esp和ebp指向同一个位置，栈是空的*/
         "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; 
}//end of my_schedule

把mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c放到mykernel目录下，重新make

运行成功：

难点分析：
理解和运行mykernel，它是提供初始化好的CPU从my_start_kernel开始执行，并提供了时钟中断机制周期性执行my_time_handler中断处理程序，执行完后中断返回总是可以回到my_start_kernel中断的位置继续执行。当然中断保存现场恢复现场的细节都处理好了，mykernel就是一个逻辑上的硬件平台，具体怎么做到的一般不必深究。
能运行mykernel后就可以写一个自己的时间片轮转调度内核了，自己写还是很难的，只需到mykernel的github版本库找到代码复制过来重新编译Linux3.9.4的源代码，能按视频的效果跑起来，这都不难。
难点是理解基于mykernel实现的时间片轮转调度代码。
往往系统都有很多进程比较复杂，我们假定当前系统只有两个进程0和1，第一次调度是从0切换到1，也就是prev=0，next=1，第二次调度正好相反。
这时再看myinterrupt.c中的汇编代码，保存prev的进程（0）上下文，下次调度是next进程就是0了，反之进程1是next那它肯定之前作为prev被调度出去过。理解进程上下文的保存和恢复极为关键。
$1f就是指标号1:的代码在内存中存储的地址
再来看特殊一点代码切换到一个新的进程，也就是next没有被保存过进程上下文，它从没有被执行过，这时稍特殊一点即else部分的汇编代码。