一个简单的时间片轮转多道程序内核

朱宇轲 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

　　本次课程老师为我们演示了一个简单时间片轮转多道程序内核代码，今天我们讲对它进行运行和分析。

实验截图

需要到github上下载mykernel的源代码并加载到Linux系统中。这里需要注意自己的Linux版本，我之前用的是CentOS，不能执行老师提供的命令，重装了ubuntu之后才终于解决了问题，神坑无比TAT

配置完环境后运行效果如下：

实验分析

这个mykernel内核实际上重点就是三个文件：mypcb.h、mymain.c和myinterrupt.c。它们各有不同的功能，mypcb.h定义了进程管理结构PCB和Thread，mymain.c定义了各个进程的PCB并初始化进程，myinterrupt.c定义了进程主动调度及时钟中断处理。

首先是mypcb.h文件

#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8

/* 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 */
    char 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);

　　PCB定义了每个进程的组织结构，其中pid表示进程号，state代表进程状态，stack为进程的内存空间，thread.sp为进程内置的栈顶指针，thread.ip为进程当前指向的代码。注意next指针，它指向当前的下一个进程，实际上是使该进程组在内存中组织为一个循环链表。

然后是mymain.c文件

#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;/* -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;
        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 */
    	"popl %%ebp\n\t"
    	:
    	: "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 -\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);
        }
    }
}

　　 该文件的my_start_kernel函数首先初始化了每一个进程，然后执行汇编部分，前两句话目的是将ebp和esp都指向0号进程PCB中的栈底。3，4句则是跳转至进程0的起始地址。

至于my_process函数，则就是每个进程的执行函数。当my_need_sched==1时，进入中断切换到下一个进程。

myinterrupt.c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"

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
    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;
}

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

　　my_timer_handler应该是一个系统内部运行的累加程序， 用来控制my_need_sched的值，从而来判断是否需要切换进程。

my_schedule则是进行进程切换的主要函数。首先需要判断当前进程是否为空，若否，则进入汇编模块。在汇编模块中，分别存储当前进程的ip、sp等信息，将要执行进程的sp赋给esp,并将它的ip入栈并赋给eip（ret操作），然后系统就会去进入下一个进程的代码空间，执行该进程。需要注意的是，汇编代码中“movl $1f,%1\n\t”这一段是将当前进程目前执行的代码处存储到sp中，当下一次进程调度轮到它时就会直接执行上次执行到的下一行代码。$1表示一个标号，也就是汇编代码段中“1:\t”处，下次再调度到该进程时就会从那里开始执行。

由于待执行的进程状态的不同，my_schedule函数分出了if和else两段代码，其实大同小异，大家可以自己再进一步理解一下其中的差异。

本次课程的代码就分析到这里，谢谢大家！