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本文為課程實驗，based on mengning mykernel 2.0，后續(xù)進階見調試跟蹤Linux內核的啟動過程

1. 準備工作

使用cat /proc/version使用查看系統(tǒng)版本

Develop your own OS kernel by reusing Linux infrastructure, based on x86-64/Linux Kernel 4.15.0. mykernel 1.0 based on IA32/Linux Kernel 3.9.4.

2. 配置并編譯mykernel 2.0

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar   # or tar -xvf linux-5.4.34.tar.gz
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc) # 編譯的時間比較久
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

編譯完的運行結果

從qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在執(zhí)行，同時my_timer_handler時鐘中斷處理程序周期性執(zhí)行。

可能報出的錯誤及解決方法：

執(zhí)行wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch時可能會報以下錯誤：

Connecting to raw.githubusercontent.com(raw.githubusercontent.com)|151.101.228.133|:443... failed: Connection refused.

原因是GitHub的raw.githubusercontent.com域名解析被污染了，可以在https://www.ipaddress.com/查詢raw.githubusercontent.com的真實IP，然后修改hosts，在/etc/hosts/中綁定查到的host，例如

sudo vim /etc/hosts
#綁定host
199.232.28.133 raw.githubusercontent.com

修改完hosts如果還不能成功運行，執(zhí)行以下命令，取消證書的檢查即可

 wget --no-check-certificate https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch

3. 添加簡單時間片輪轉調度模塊

在mymain.c基礎上繼續(xù)寫進程描述PCB和進程鏈表管理等代碼，在myinterrupt.c的基礎上完成進程切換代碼。首先在mykernel目錄下增加一個mypcb.h 頭文件，用來定義進程控制塊（Process Control Block），也就是進程結構體的定義，在Linux內核中是struct tast_struct結構體。


/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 * [https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/mypcb.h](https://github.com/mengning/mykernel/blob/master/mypcb.h)
 */


#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);

對mymain.c進行修改，這里是mykernel內核代碼的入口，負責初始化內核的各個組成部分。在Linux內核源代碼中，實際的內核入口是init/main.c中的start_kernel(void)函數(shù)。

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 */
 
#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(
        "movq %1,%%rsp\n\t"  /* set task[pid].thread.sp to rsp */
        "pushq %1\n\t"          /* push rbp */
        "pushq %0\n\t"          /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"              /* pop task[pid].thread.ip to rip */
        :
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}

在mymain.c中添加了my_process函數(shù)，用來作為進程的代碼模擬一個個進程，只是我們這里采用的是進程運行完一個時間片后主動讓出CPU的方式，沒有采用中斷的時機完成進程切換，因為中斷機制實現(xiàn)起來較為復雜，等后續(xù)部分再逐漸深入。

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);
        }
    }
}

進程運行過程中是怎么知道時間片消耗完了呢？這就需要時鐘中斷處理過程中記錄時間片。對myinterrupt.c中修改my_timer_handler用來記錄時間片。


/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 */
#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.
 */
void my_timer_handler(void)
{
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    }
    time_count ++ ;
    return;
}

對myinterrupt.c進行修改，主要是增加了進程切換的代碼my_schedule(void)函數(shù)，在Linux內核源代碼中對應的是schedule(void)函數(shù)。


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 */
    {
      my_current_task = next;
      printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
      /* switch to next process */
      asm volatile(
         "pushq %%rbp\n\t"       /* save rbp of prev */
         "movq %%rsp,%0\n\t"     /* save rsp of prev */
         "movq %2,%%rsp\n\t"     /* restore  rsp of next */
         "movq $1f,%1\n\t"       /* save rip of prev */
         "pushq %3\n\t"
         "ret\n\t"               /* restore  rip of next */
         "1:\t"                  /* next process start here */
         "popq %%rbp\n\t"
        : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
        : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
      );
    }
    return;
}

修改完成之后運行以下命令重新編譯運行：

make clean
make
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

帶有進程切換的內核

可能報出的錯誤及解決方法：

在修改完代碼后執(zhí)行make會出現(xiàn)以下錯誤：

mykernel/mymain.c: Assembler messages:
mykernel/mymain.c:48: 錯誤： bad register name `%rsp'
mykernel/mymain.c:49: 錯誤： unsupported instruction `push'
mykernel/mymain.c:50: 錯誤： unsupported instruction `push'
scripts/Makefile.build:265: recipe for target 'mykernel/mymain.o' failed
make[1]: *** [mykernel/mymain.o] Error 1
Makefile:1691: recipe for target 'mykernel' failed
make: *** [mykernel] Error 2

看到錯誤的第一反應該是寄存器的位數(shù)不支持，所以我就把上述代碼中的所有rsp、rbp寄存器改成了esp、ebp寄存器。pushq和movq都改成了pushl和movl，然后使用make再重新編譯。結果倒是不報錯了，qemu正常啟動，但是卻一直卡在了Booting from ROM....

最后的做法是改回了原來的代碼，然后使用make clean和兩次make然后又運行成功了？！如果出現(xiàn)這種錯誤你也可以試一試......

4. 代碼分析

4.1 時間片輪轉調度模塊代碼分析

最終修改完成的mypcb.h、mymain.c和myinterrupt.c文件內容如下（使用注釋解釋）：

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *  Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26
 *
 *  Copyright (C) 2013, 2020  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];     //聲明tPCB類型的數(shù)組
tPCB * my_current_task = NULL;    //聲明當前task的指針
volatile int my_need_sched = 0;     //判斷是否需要調度

void my_process(void);

/** 從my_start_kernel開始執(zhí)行,實際的內核入口是init/main.c中的start_kernel(void)函數(shù) **/
void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;      //初始化0號進程
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;   //入口
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];
    /*
    ======= fork more process =======
    Linux創(chuàng)建子進程時,也是使用fork復制進程,然后改變一些關鍵信息,比如進程PID等
    */
    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(
        "movq %1,%%rsp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to rsp */
        "pushq %1\n\t"             /* push rbp */
        "pushq %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to rip */
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
} 

int i = 0;

/** 進程運行體:用來作為進程的代碼模擬一個個進程 **/
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)    //判斷是否需要調度
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

/*
 *  linux/mykernel/mypcb.h
 *
 *  Kernel internal PCB types
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */

/** 定義進程的最大數(shù)量和內核棧的大小 **/
#define MAX_TASK_NUM        4
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2
/* CPU-specific state of this task */

//存儲ip,sp
struct Thread {
    unsigned long        ip;
    unsigned long        sp;
};

typedef struct PCB{
    int pid;    //進程的id
    volatile long state;    /* 定義進程狀態(tài): -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];  //進程堆棧
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long    task_entry;      //進程入口，
    struct PCB *next;    //指向下一個進程PCB
}tPCB;

//調度函數(shù)
void my_schedule(void);

/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *  Change IA32 to x86-64 arch, 2020/4/26
 *
 *  Copyright (C) 2013, 2020  Mengning
 *
 */
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>

#include "mypcb.h"

/* task:任務隊列
 * my_current_task:當前運行的進程
 * my_need_sched:調度標示
 * time_count:計數(shù)器
 */
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;

/* 模擬時鐘中斷 */
void my_timer_handler(void)
{
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)   //控制時間片的大小，設置調度的標志
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
    return;      
}
/* 進程切換 */
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 根據(jù)下一個進程的狀態(tài)來判斷是否切換*/
    {        
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
        /* switch to next process */
        asm volatile(    
            "pushq %%rbp\n\t"         /* save rbp of prev */
            "movq %%rsp,%0\n\t"     /* save rsp of prev */
            "movq %2,%%rsp\n\t"     /* restore  rsp of next */
            "movq $1f,%1\n\t"       /* save rip of prev ,%1f指接下來的標號為1的位置*/    
            "pushq %3\n\t" 
            "ret\n\t"                 /* restore  rip of next */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popq %%rbp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
    }  
    return;    
}

4.2 操作系統(tǒng)內核核心功能及運行工作機制分析

4.2.0 準備工作：內嵌匯編語法

內嵌匯編語法

============================ 示例 ==============================
/* 下面的%0和%1代表第一個參數(shù)和第二個參數(shù)，其index是從輸出部分算起，到輸入部分結束 
  "=m" 表示內存變量只寫
  "r"表示將輸入變量放入通用寄存器
  %%表示轉移字符
  $0表示立即數(shù)0
*/
int main(void){
    int input, output, temp;
    input = 1;
    __asm__ __volatile__(
        "movl $0, %%eax; \n\t"       // eax = 0
        "movl %%eax, %1; \n\t"      // temp = 0
        "movl %2, %%eax; \n\t"      // eax = input = 1
        "movl %%eax, %0; \n\t"      // output = eax = 1
        :"=m"(output), "=m"(temp)    // $0 = output  $1 = temp
        :"r"(input)   // $2 = input
        :"eax");
    // 輸出為 0， 1
    printf("%d, %d \n",temp, output);
    return 0;
}

4.2.1 啟動執(zhí)行第一個進程的關鍵匯編代碼分析

asm volatile(
    "movq %1,%%rsp\n\t" /* 將進程原堆棧棧頂?shù)牡刂反嫒隦SP寄存器 */
    "pushq %1\n\t"      /* 將當前RBP寄存器值壓棧 */
    "pushq %0\n\t"      /* 將當前進程的RIP壓棧 */
    "ret\n\t"           /* ret命令正好可以讓壓棧的進程RIP保存到RIP寄存器中 */
    :
    : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)
);

由于啟動的第一個進程是我們自己初始化好的0號進程，所以上面代碼的task[pid].thread.ip和 task[pid].thread.sp分別為0號進程ip和sp。

movq %1,%%rsp:將RSP寄存器指向進程0的堆棧棧底
pushq %1:本來應該壓棧當前進程的RBP，因為是空棧，所以RSP與RBP相同，這里簡化起見，直接使用進程的堆棧棧頂?shù)闹祎ask[pid].thread.sp，之后RSP = RSP - 8(堆棧地址空間從高到低，位數(shù)為64位)
pushq %0:將當前進程的RIP（這里是初始化的值my_process(void)函數(shù)的位置）入棧，RSP = RSP - 8
ret:將棧頂位置的task[0].thread.ip，也就是my_process(void)函數(shù)的地址放入RIP寄存器中，RSP = RSP + 8，修改IP的內容，從而實現(xiàn)近轉移。

4.2.2 進程上下文切換的關鍵代碼分析

    printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);  
        /* switch to next process */
        asm volatile(   
            "pushq %%rbp\n\t"       /* save rbp of prev */
            "movq %%rsp,%0\n\t"     /* save rsp of prev */
            "movq %2,%%rsp\n\t"     /* restore  rsp of next */
            "movq $1f,%1\n\t"       /* save rip of prev */  
            "pushq %3\n\t" 
            "ret\n\t"               /* restore  rip of next */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popq %%rbp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );

為了簡便，假設系統(tǒng)只有兩個進程，分別是進程0和進程1。進程0由內核啟動時初始化執(zhí)行，然后需要進程調度和進程切換，然后開始執(zhí)行進程1。進程切換過程中進程0和進程1的堆棧和相關寄存器的變化過程大致如下：

pushq %%rbp：保存0號進程的rbp，rsp = rsp - 8(x86向下增長)
movq %%rsp,%0：把0號進程的rsp保存在prev->thread.sp變量中
movq %2,%%rsp：rsp指向1號進程的棧頂
movq $1f,%1：其中的$1f是magic number，指的是下面的1:的地址，這句的作用是prev->thread.ip = $1f
pushq %3：把即將執(zhí)行的next進程的指令地址next->thread.ip入棧，這時的next->thread.ip可能是進程1的起點my_process(void)函數(shù)，也可能是$1f（標號1）。第一次被執(zhí)行從頭開始為進程1的起點my_process(void)函數(shù)，其余的情況均為$1f（標號1），因為next進程如果之前運行過那么它就一定曾經也作為prev進程被進程切換過
ret：就是將壓入棧中的next->thread.ip放入RIP寄存器，為什么不直接放入RIP寄存器呢？因為程序不能直接使用RIP寄存器，只能通過call、ret等指令間接改變RIP寄存器。使用ret從而實現(xiàn)近轉移。
1:：標號1是一個特殊的地址位置，該位置的地址是$1f。
popq %%rbp：像這段代碼的第一句pushq %%rbp一樣，進程切換時會把當前棧的基址RBP保存在棧頂。所以本條命令的作用就是將1號進程堆?；刂窂亩褩Ｖ谢謴偷絉BP寄存器中，從而完成進程的切換，即RBP和RSP都指向了進程1的堆棧。

參考文章：

http://www.itdecent.cn/p/5c1a352ba242

https://github.com/mengning/mykernel

https://mp.weixin.qq.com/s/SzpN1BNty5aPDZhNdCO5yA

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編寫一個簡單的操作系統(tǒng)內核(Linux Kernel)

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1. 準備工作

2. 配置并編譯mykernel 2.0

可能報出的錯誤及解決方法：

3. 添加簡單時間片輪轉調度模塊

可能報出的錯誤及解決方法：

4. 代碼分析

4.1 時間片輪轉調度模塊代碼分析

4.2 操作系統(tǒng)內核核心功能及運行工作機制分析

4.2.0 準備工作：內嵌匯編語法

4.2.1 啟動執(zhí)行第一個進程的關鍵匯編代碼分析

4.2.2 進程上下文切換的關鍵代碼分析

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可能報出的錯誤及解決方法：

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4.1 時間片輪轉調度模塊代碼分析

4.2 操作系統(tǒng)內核核心功能及運行工作機制分析

4.2.0 準備工作：內嵌匯編語法

4.2.1 啟動執(zhí)行第一個進程的關鍵匯編代碼分析

4.2.2 進程上下文切換的關鍵代碼分析

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