GeekOS教學(xué)操作系統(tǒng)概論

圖1-3GeekOS系統(tǒng)主目錄圖1-4項(xiàng)目文件結(jié)構(gòu)圖在build文件夾中，包含系統(tǒng)編譯后的可執(zhí)行文件的文件、軟盤鏡像fd.img（project1等項(xiàng)目中還包含有磁盤鏡像diskc.img）、makefile項(xiàng)目管理文件。在Include文件夾中有g(shù)eekos和libc兩個(gè)子目錄，在geekos子目錄中有kthread.h、keyboard.h等頭文件，在libc中包含有GeekOS支持的C語言標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)string.h頭文件。在scripts文件夾中是項(xiàng)目編譯時(shí)要用到的一些腳本文件。src文件夾中存放系統(tǒng)內(nèi)核源代碼，用戶修改GeekOS系統(tǒng)時(shí)要修改的源代碼如main.c等都位于這個(gè)目錄中。在User子目錄中一般是用來存放用戶的測(cè)試文件，在tools子目錄中的代碼是用來建立pfat測(cè)試文件系統(tǒng)的。在提供的GeekOS內(nèi)核系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生設(shè)計(jì)了7個(gè)由易到難的設(shè)計(jì)項(xiàng)目用于GeekOS的改進(jìn)。這些項(xiàng)目分別涵蓋了操作系統(tǒng)內(nèi)核的各個(gè)基本模塊：系統(tǒng)啟動(dòng)、進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)、訪問控制以及進(jìn)程間網(wǎng)絡(luò)通信。7個(gè)項(xiàng)目都規(guī)定了改進(jìn)的目標(biāo)，并提供了一些設(shè)計(jì)指導(dǎo)性的意見，但沒有提供源代碼，所以學(xué)生首先必須熟悉GeekOS的基本工作原理，才能開展各個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目0：主要是讓學(xué)生熟悉GeekOS的編譯、運(yùn)行過程，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)原理。項(xiàng)目0要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)核進(jìn)程，功能是實(shí)現(xiàn)從鍵盤接收一個(gè)按鍵，并在屏幕上顯示。項(xiàng)目1：主要讓學(xué)生熟悉可執(zhí)行鏈接文件（ELF文件）的結(jié)構(gòu)，并學(xué)會(huì)加載和運(yùn)行可執(zhí)行文件。項(xiàng)目要求學(xué)生熟悉ELF文件格式，并編寫代碼對(duì)ELF文件進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果傳送給加載器。項(xiàng)目2：要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶態(tài)進(jìn)程的支持。在項(xiàng)目2實(shí)現(xiàn)之前，GeekOS一直使用內(nèi)核進(jìn)程。對(duì)用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行的支持包括用戶態(tài)進(jìn)程結(jié)構(gòu)的初始化、用戶進(jìn)程空間的初始化、用戶進(jìn)程切換和用戶程序?qū)氲?。該?xiàng)目中，存儲(chǔ)分配依然使用分段分配方式。實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目2后，用戶就可以使用GeekOS提供的命令行解釋器Shell運(yùn)行一些命令來執(zhí)行PFAT文件系統(tǒng)內(nèi)的用戶測(cè)試程序。項(xiàng)目3：要求學(xué)生改進(jìn)GeekOS的調(diào)度程序，實(shí)現(xiàn)基于4級(jí)反饋隊(duì)列的調(diào)度算法（初始GeekOS系統(tǒng)僅提供了FIFO進(jìn)程調(diào)度算法），并實(shí)現(xiàn)信號(hào)量，支持進(jìn)程間通信。項(xiàng)目4：要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)分頁虛存管理，以替代在項(xiàng)目1和項(xiàng)目2中采用的分段存儲(chǔ)管理。實(shí)現(xiàn)分頁虛存管理后。系統(tǒng)在內(nèi)存不夠的情況下就可以將部分頁調(diào)到硬盤，以釋放內(nèi)存實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)。項(xiàng)目5：要求實(shí)現(xiàn)GOSFS文件系統(tǒng)。由于GeekOS使用了虛擬文件系統(tǒng)，可以加載不同的文件系統(tǒng)，而系統(tǒng)默認(rèn)加載的是PFAT只讀文件系統(tǒng)。在這個(gè)項(xiàng)目中，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)多極目錄的、可讀寫的文件系統(tǒng)。項(xiàng)目6：要求為文件系統(tǒng)增加訪問控制列表，并使用匿名半雙工管道實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。在某種程度上，GeekOS就是一個(gè)簡(jiǎn)單的C程序，有功能函數(shù)、線程、內(nèi)存分配等。但與在裝有Linux或Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行的C語言程序不同，一般C語言程序是運(yùn)行在用戶態(tài)的，而GeekOS是運(yùn)行在核態(tài)的（也稱系統(tǒng)態(tài)）。在核態(tài)運(yùn)行的程序可以完全控制計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存和外部設(shè)備，所以編寫運(yùn)行于核態(tài)的程序時(shí)有一些需要特別注意的問題，修改GeekOS內(nèi)核代碼時(shí)要特別注意GeekOS內(nèi)核運(yùn)行環(huán)境的一些限制。1．有限庫函數(shù)因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最底層的軟件，內(nèi)核使用的所有功能函數(shù)必須能在內(nèi)核執(zhí)行。這與用戶程序不同，用戶程序可與一系列包含常用函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)庫連接。GeekOS中唯一能使用的標(biāo)準(zhǔn)C語言庫函數(shù)是字符串函數(shù)的一個(gè)子集（strcpy()、memcpy()函數(shù)）和snprintf()函數(shù)，這些函數(shù)的原型定義在<GeekOS/string.h>頭文件中。除標(biāo)準(zhǔn)C語言庫函數(shù)外，GeekOS內(nèi)核還有一些與C語言庫函數(shù)類似的函數(shù)，如Print()函數(shù)（函數(shù)原型定義在<GeekOS/screen.h>中），是標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)printf()函數(shù)的功能子集；Malloc()和Free()函數(shù)則相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)C的malloc()和free()函數(shù)（函數(shù)原型定義在<GeekOS/malloc.h>中）。2．有限?？臻gGeekOS內(nèi)核中的每個(gè)線程可以使用大小為4KB的棧。如果某個(gè)線程堆棧溢出將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)核崩潰。因此，在編程時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎使用?？臻g：不要用棧分配大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用棧時(shí)盡量使用堆棧分配函數(shù)Malloc()和Free()；程序中不要使用遞歸，避免函數(shù)深層次的調(diào)用。3．存儲(chǔ)器保護(hù)限制一旦系統(tǒng)內(nèi)核開始運(yùn)行，沒有任何存儲(chǔ)器保護(hù)，內(nèi)核的每次存儲(chǔ)器訪問都是對(duì)物理內(nèi)存單元的訪問，即使是引用空指針系統(tǒng)也無法捕獲（trapped）。因此，系統(tǒng)在核態(tài)運(yùn)行比在用戶態(tài)運(yùn)行時(shí)指針引用更容易出問題。要調(diào)試運(yùn)行于核態(tài)的程序是比較難的，所以用戶必須仔細(xì)檢查編寫的代碼，確保沒有內(nèi)存訪問錯(cuò)誤。如果用戶為GeekOS內(nèi)核增加虛擬內(nèi)存管理功能，那內(nèi)核將獲得較好的內(nèi)存訪問保護(hù)，但用戶在編寫內(nèi)核代碼時(shí)仍然要仔細(xì)檢查，避免一些不易調(diào)試的錯(cuò)誤發(fā)生。4．異步中斷當(dāng)有重要事件發(fā)生的時(shí)候，許多硬件設(shè)備都用中斷來通知CPU：如定時(shí)器定時(shí)到、I/O請(qǐng)求完成等。中斷發(fā)生時(shí)，控制權(quán)異步傳送給中斷處理程序，當(dāng)中斷處理結(jié)束時(shí)，控制返回到中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。值得注意的是，中斷處理可能會(huì)引起線程交換，這就意味著在控制返回到被中斷的線程前，系統(tǒng)可能會(huì)執(zhí)行其他線程。如果用戶遵守上述的限制，在內(nèi)核模式下編程會(huì)相對(duì)容易。不僅如此，為使用戶更順利地深入內(nèi)核編程，還建議用戶養(yǎng)成下列編程習(xí)慣。使用斷點(diǎn)。在頭文件<GeekOS/kassert.h>中，有一個(gè)宏定義KASSERT()，參數(shù)是一個(gè)布爾表達(dá)式。如果表達(dá)式的值是false時(shí)，就打印出一條信息，并暫停內(nèi)核運(yùn)行。舉例如下：voidMy_Function(structThread_Queue*queue){KASSERT(!Interrupts_Enabled()); /*必須禁止中斷*/KASSERT(queue!=0); /*隊(duì)列不能為空*/...}用戶應(yīng)盡可能多地用斷點(diǎn)檢查函數(shù)執(zhí)行的前提條件、后繼條件和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性等。使用斷點(diǎn)有兩個(gè)好處：第一，若程序執(zhí)行出錯(cuò)，斷點(diǎn)可以在內(nèi)核崩潰前，精確快速的幫助程序員定位程序中的出錯(cuò)代碼；第二，斷點(diǎn)還可以幫助程序員檢測(cè)代碼正確性。使用Print語句。在<GeekOS/screen.h>頭文件定義了Print()函數(shù)，它支持標(biāo)準(zhǔn)C語言函數(shù)printf()的大部分功能。Print是最常用也是最有效的用于調(diào)試內(nèi)核代碼的語句，因?yàn)檎{(diào)試時(shí)，用戶采用的策略都是先作假設(shè)，然后再