时间片轮转模拟程序

Linux内核分析——时间片轮转模拟程序

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一、实验准备

安装虚拟机，使用 Ubuntu 14.04
使用如下命令，在某一文件夹下创建名为 mykernel 的工作目录
```
sudo mkdir mykernel
```

进入该 mykernel 目录，使用如下命令下载必要文件

sudo apt-get install qemu # install QEMU
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
// download Linux Kernel 3.9.4 source code
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz
// download mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
// 解压 Linux-3.9.4 源码
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xvf linux-3.9.4.tar

安装补丁

// 进入 linux-3.9.4 文件夹 cd linux-3.9.4 // 安装补丁文件 patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch

在 linux-3.9.4 文件夹下运行下列命令，即可看到模拟内核运行的结果

make allnoconfig // 最小化运行，不需要多的模块 make // 编译 Linux 内核 // 用 qemu 运行该模拟内核 qemu-system-i386 -kernel arch/x86/boot/bzImage

实验结果

二、编写时间片轮转模拟程序

mypcb.h

// 线程最大数目            
     #define MAX_TASK_NUM        4                 
     // 线程栈大小             
     #define KERNEL_STACK_SIZE   (unsigned long) 1024*2   
     /* CPU-specific state of this task */
     struct Thread {
     unsigned long		ip;  // 当前所读指令位置
    unsigned long		sp;  // 线程栈指针
};
    /**
          * 进程描述符
          */
    typedef struct PCB{
    int pid;       // 进程号

    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    volatile long state;	

    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];   // 进程栈
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;
    struct PCB *next; 
}tPCB;

void my_schedule(void);     // 定义进程切换函数

mymain.c 中进程启动
- 创建 0 号进程，初始化相关变量，其中 task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process; 为设置该进程的入口函数；
- 利用循环体复制 0 号进程的内存内容，以尾插法方式构造如图所示进程链表；
- 使用嵌入汇编启动 0 号进程，首先将 esp 指向 0 号进程栈基址，然后 eip 指向 0 号进程入口，即 process 函数指针的位置，即可开始执行 0 号进程；

void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;

    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    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].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\n\t" 	/* set task[pid].thread.sp to esp */
    	"pushl %1\n\t" 	     /* push ebp */
    	"pushl %0\n\t" 	   /* push task[pid].thread.ip */
    	"ret\n\t" 	      /* pop task[pid].thread.ip to eip */
    	: 
    	: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)	/* input c or d mean %ecx/%edx*/
	);
}

main.c 中 process 函数；
- 设置进程运行时间片时长为 10000000
- 当达到时长，则判断进程切换标志 my_need_sched ；
- 标志为1 ，则执行进程切换函数；

void my_process(void)
{    
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
        	    my_schedule();
        	}
        	printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

myinterrupt.c 中时间中断处理函数 my_timer_handler
- 该函数在操作系统内核中注册，由系统自动调用该函数；
- 设置进程切换时间为 1000，达到则判断切换标志是否为1，更改为可以进程切换的值 1；

void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    return;  	
}

myinterrupt.c 中进程切换函数
- 首先判断当前进程和接下来的进程是否存在，不存在则直接返回；
- 定义当前进程指针 prev 和下一个进程指针 next；
- 判断接下来的进程是否可以运行，不可运行则函数结束；
- 利用嵌入式汇编交换内核中进程栈内容；其中上一个进程的 ebp , esp , eip 内容保存在该进程的栈中，然后当前的 ebp , esp , eip 指向下一个进程栈对应位置，并开始运行；

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;

    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;
    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    if(next->state == 0)
    {        
    	my_current_task = next; 
    	printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
    	/* switch to next process */
    	asm volatile(	
        	"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 */	
        	"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)
    	); 
    }  
    return;	
}

三、实验结果

用上述三个文件取代 linux-3.9.4/mykernel 文件夹下的文件，重新执行下述命令，即可得到 4 个进程轮转执行的程序；

make allnoconfig         
make                
qemu-system-i386 -kernel arch/x86/boot/bzImage

四、总结

要使程序在操作系统上执行，需要创建对应的进程。每个进程都有自己独立的信息，包括进程号，进程状态，进程栈等。操作系统会首先创建 0 号进程当做所有进程的父进程，，进行全局资源分配及进程调度；
现代操作系统一般是多任务的，需要进行进程切换，而这需要中断的支持。在Linux中需要在内核中注册中断服务程序，当有对应事件发生时，对其进行处理。该时间片轮转程序利用固定时间片，产生相应中断来对进程切换；
进程切换时需要保存当前进程上下文于进程栈中，然后将指令寄存器和栈寄存器的值指向下一个进程栈中内容，然后开始执行下一个进程；