操作系统实验五 基于内核栈切换的进程切换(哈工大李治军)(二)

简介: 操作系统实验五 基于内核栈切换的进程切换(哈工大李治军)(二)

schedule 与 switch_to


目前 Linux 0.11 中工作的 schedule() 函数是首先找到下一个进程的数组位置 next,而这个 next 就是 GDT 中的 n,所以这个 next 是用来找到切换后目标 TSS 段的段描述符的,一旦获得了这个 next 值,直接调用上面剖析的那个宏展开 switch_to(next);就能完成如图 TSS 切换所示的切换了。


现在,我们不用 TSS 进行切换,而是采用切换内核栈的方式来完成进程切换,所以在新的 switch_to 中将用到当前进程的 PCB、目标进程的 PCB、当前进程的内核栈、目标进程的内核栈等信息。由于 Linux 0.11 进程的内核栈和该进程的 PCB 在同一页内存上(一块 4KB 大小的内存),其中 PCB 位于这页内存的低地址,栈位于这页内存的高地址;另外,由于当前进程的 PCB 是用一个全局变量 current 指向的,所以只要告诉新 switch_to()函数一个指向目标进程 PCB 的指针就可以了。同时还要将 next 也传递进去,虽然 TSS(next)不再需要了,但是 LDT(next)仍然是需要的,也就是说,现在每个进程不用有自己的 TSS 了,因为已经不采用 TSS 进程切换了,但是每个进程需要有自己的 LDT,地址分离地址还是必须要有的,而进程切换必然要涉及到 LDT 的切换。


综上所述,需要将目前的 schedule() 函数(在 kernel/sched.c 中)做稍许修改,即将下面的代码:

if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
    c = (*p)->counter, next = i;
//......
switch_to(next);


修改为:

if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
    c = (*p)->counter, next = i, pnext = *p;
//.......
switch_to(pnext,_LDT(next));


注意 pnext 是指向 pcb 的指针

struct tast_struct *pnext = &(init_task.task);


使用 switch_to 需要添加函数声明

extern long switch_to(struct task_struct *p, unsigned long address);


实现 switch_to


实现 switch_to 是本次实践项目中最重要的一部分。


由于要对内核栈进行精细的操作,所以需要用汇编代码来完成函数 switch_to 的编写。


这个函数依次主要完成如下功能:由于是 C 语言调用汇编,所以需要首先在汇编中处理栈帧,即处理 ebp 寄存器;接下来要取出表示下一个进程 PCB 的参数,并和 current 做一个比较,如果等于 current,则什么也不用做;如果不等于 current,就开始进程切换,依次完成 PCB 的切换、TSS 中的内核栈指针的重写、内核栈的切换、LDT 的切换以及 PC 指针(即 CS:EIP)的切换。


可以很明显的看出,该函数是基于TSS进行进程切换的(ljmp指令),

现在要改写成基于堆栈(内核栈)切换的函数,就需要删除掉该语句,在include/linux/sched.h 文件,我们将它注释掉。



然后新的switch_to()函数将它作为一个系统调用函数,所以要将函数重写在汇编文件kernel/system_call.s:


.align 2
switch_to:
    //因为该汇编函数要在c语言中调用,所以要先在汇编中处理栈帧
  pushl %ebp
  movl %esp,%ebp
  pushl %ecx
  pushl %ebx
  pushl %eax
    //先得到目标进程的pcb,然后进行判断
    //如果目标进程的pcb(存放在ebp寄存器中) 等于   当前进程的pcb => 不需要进行切换,直接退出函数调用
    //如果目标进程的pcb(存放在ebp寄存器中) 不等于 当前进程的pcb => 需要进行切换,直接跳到下面去执行
  movl 8(%ebp),%ebx
  cmpl %ebx,current
  je 1f
    /** 执行到此处,就要进行真正的基于堆栈的进程切换了 */
        // PCB的切换
  movl %ebx,%eax
  xchgl %eax,current
  // TSS中内核栈指针的重写
  movl tss,%ecx
  addl $4096,%ebx
  movl %ebx,ESP0(%ecx)
  //切换内核栈
  movl %esp,KERNEL_STACK(%eax)
  movl 8(%ebp),%ebx
  movl KERNEL_STACK(%ebx),%esp
  //LDT的切换
  movl 12(%ebp),%ecx
  lldt %cx
  movl $0x17,%ecx
  mov %cx,%fs
  cmpl %eax,last_task_used_math
  jne 1f
  clts
  //在到子进程的内核栈开始工作了,接下来做的四次弹栈以及ret处理使用的都是子进程内核栈中的东西
1:  popl %eax
  popl %ebx
  popl %ecx
  popl %ebp
  ret



逐条解释基于堆栈切换的switch_to()函数四段核心代码:

// PCB的切换
movl %ebx,%eax
xchgl %eax,current
起始时eax寄存器保存了指向目标进程的指针,current指向了当前进程,
第一条指令执行完毕,使得ebx也指向了目标进程,
然后第二条指令开始执行,也就是将eax的值和current的值进行了交换,最终使得eax指向了当前进程,current就指向了目标进程(当前状态就发生了转移)
// TSS中内核栈指针的重写
movl tss,%ecx
addl $4096,%ebx
movl %ebx,ESP0(%ecx)
中断处理时需要寻找当前进程的内核栈,否则就不能从用户栈切到内核栈(中断处理没法完成),
内核栈的寻找是借助当前进程TSS中存放的信息来完成的,(当然,当前进程的TSS还是通过TR寄存器在GDT全局描述符表中找到的)。
虽然此时不使用TSS进行进程切换了,但是Intel的中断处理机制还是要保持。
所以每个进程仍然需要一个TSS,操作系统需要有一个当前TSS。
这里采用的方案是让所有进程共用一个TSS(这里使用0号进程的TSS),
因此需要定义一个全局指针变量tss(放在system_call.s中)来执行0号进程的TSS:
struct tss_struct * tss = &(init_task.task.tss);
此时唯一的tss的目的就是:在中断处理时,能够找到当前进程的内核栈的位置。
在内核栈指针重写指令中有宏定义ESP0,所以在上面需要提前定义好 ESP0 = 4,
(定义为4是因为TSS中内核栈指针ESP0就放在偏移为4的地方)
并且需要将: blocked=(33*16) => blocked=(33*16+4)


kernel/system_call.s 文件


重写TSS中的内核栈指针

ESP0 = 4
KERNEL_STACK = 12
state   = 0     # these are offsets into the task-struct.
counter = 4
priority = 8
kernelstack = 12
signal  = 16
sigaction = 20      # MUST be 16 (=len of sigaction)
blocked = (37*16)


kernel/sched.c 文件

struct tss_struct * tss = &(init_task.task.tss);

//切换内核栈
movl %esp,KERNEL_STACK(%eax)
movl 8(%ebp),%ebx
movl KERNEL_STACK(%ebx),%esp
第一行:将cpu寄存器esp的值,保存到当前进程pcb的eax寄存器中(保存当前进程执行信息)
第二行:获取目标进程的pcb放入ebx寄存器中
第三行:将ebx寄存器中的信息,也就是目标进程的信息,放入cpu寄存器esp中
但是之前的进程控制块(pcb)中是没有保存内核栈信息的寄存器的,所以需要在sched.h中的task_struct(也就是pcb)中添加kernelstack,
但是添加的位置就有讲究了,因为在某些汇编文件(主要是systen_call.s中),有操作这个结构的硬编码,
一旦结构体信息改变,那这些硬编码也要跟着改变,
比如添加kernelstack在第一行,就需要改很多信息了,
但是添加到第四行就不需要改很多信息,所以这里将kernelstack放到第四行的位置:
struct task_struct {
/* these are hardcoded - don't touch */
  long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
  long counter;
  long priority;
  /** add  kernelstack */
  long kernelstack;
    ...
}
改动位置及信息:
#define INIT_TASK \
/* state etc */ { 0,15,15,\
/* signals */ 0,{{},},0, \
...
改为:
#define INIT_TASK \
/* state etc */ { 0,15,15, PAGE_SIZE+(long)&init_task,\
/* signals */ 0,{{},},0, \
...
在执行上述切换内核栈的代码之前(也就是switch_to()函数前),要设置栈的大小:KERNEL_STACK = 12
然后就执行上面的三行代码,就可以完成对内核栈的切换了。


include/linux/sched.h 文件

long kernelstack;


由于这里将 PCB 结构体的定义改变了,所以在产生 0 号进程的 PCB 初始化时也要跟着一起变化, 需要修改 #define INIT_TASK,即在 PCB 的第四项中增加关于内核栈栈指针的初始化。代码如下:

#define INIT_TASK \
/* state etc */ { 0,15,15,\
/* signals */ 0,{{},},0, \
...
改为:
#define INIT_TASK \
/* state etc */ { 0,15,15, PAGE_SIZE+(long)&init_task,\
/* signals */ 0,{{},},0, \
...



kernel/system_call.s

KERNEL_STACK = 12


//LDT的切换
movl 12(%ebp),%ecx
lldt %cx
movl $0x17,%ecx
mov %cx,%fs
前两条语句的作用(切换LDT):
第一条:取出参数LDT(next)
第二条:完成对LDTR寄存器的修改
然后就是对PC指针(即CS:EIP)的切换:
后两条语句的含有就是重写设置段寄存器FS的值为0x17
补:FS的作用:通过FS操作系统才能访问进程的用户态内存。
这里LDT切换完成意味着切换到了新的用户态地址空间,所以需要重置FS。
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