GeekOS教學(xué)操作系統(tǒng)概論

圖1-3GeekOS系統(tǒng)主目錄圖1-4項目文件結(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等項目中還包含有磁盤鏡像diskc.img）、makefile項目管理文件。在Include文件夾中有g(shù)eekos和libc兩個子目錄，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文件夾中是項目編譯時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)時要修改的源代碼如main.c等都位于這個目錄中。在User子目錄中一般是用來存放用戶的測試文件，在tools子目錄中的代碼是用來建立pfat測試文件系統(tǒng)的。在提供的GeekOS內(nèi)核系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生設(shè)計了7個由易到難的設(shè)計項目用于GeekOS的改進。這些項目分別涵蓋了操作系統(tǒng)內(nèi)核的各個基本模塊：系統(tǒng)啟動、進程管理、存儲管理、文件系統(tǒng)、訪問控制以及進程間網(wǎng)絡(luò)通信。7個項目都規(guī)定了改進的目標(biāo)，并提供了一些設(shè)計指導(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，才能開展各個項目的設(shè)計與實現(xiàn)。項目0：主要是讓學(xué)生熟悉GeekOS的編譯、運行過程，了解計算機系統(tǒng)的啟動原理。項目0要求實現(xiàn)一個內(nèi)核進程，功能是實現(xiàn)從鍵盤接收一個按鍵，并在屏幕上顯示。項目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)會加載和運行可執(zhí)行文件。項目要求學(xué)生熟悉ELF文件格式，并編寫代碼對ELF文件進行分析，并將分析結(jié)果傳送給加載器。項目2：要求學(xué)生實現(xiàn)對用戶態(tài)進程的支持。在項目2實現(xiàn)之前，GeekOS一直使用內(nèi)核進程。對用戶態(tài)進程執(zhí)行的支持包括用戶態(tài)進程結(jié)構(gòu)的初始化、用戶進程空間的初始化、用戶進程切換和用戶程序?qū)氲?。該項目中，存儲分配依然使用分段分配方式。實現(xiàn)項目2后，用戶就可以使用GeekOS提供的命令行解釋器Shell運行一些命令來執(zhí)行PFAT文件系統(tǒng)內(nèi)的用戶測試程序。項目3：要求學(xué)生改進GeekOS的調(diào)度程序，實現(xiàn)基于4級反饋隊列的調(diào)度算法（初始GeekOS系統(tǒng)僅提供了FIFO進程調(diào)度算法），并實現(xiàn)信號量，支持進程間通信。項目4：要求學(xué)生實現(xiàn)分頁虛存管理，以替代在項目1和項目2中采用的分段存儲管理。實現(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)存實現(xiàn)虛擬存儲技術(shù)。項目5：要求實現(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)。在這個項目中，需要實現(xiàn)一個多極目錄的、可讀寫的文件系統(tǒng)。項目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現(xiàn)進程間通信。在某種程度上，GeekOS就是一個簡單的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)中運行的C語言程序不同，一般C語言程序是運行在用戶態(tài)的，而GeekOS是運行在核態(tài)的（也稱系統(tǒng)態(tài)）。在核態(tài)運行的程序可以完全控制計算機的CPU、內(nèi)存和外部設(shè)備，所以編寫運行于核態(tài)的程序時有一些需要特別注意的問題，修改GeekOS內(nèi)核代碼時要特別注意GeekOS內(nèi)核運行環(huán)境的一些限制。1．有限庫函數(shù)因為操作系統(tǒng)是計算機中最底層的軟件，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．有限棧空間GeekOS內(nèi)核中的每個線程可以使用大小為4KB的棧。如果某個線程堆棧溢出將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)核崩潰。因此，在編程時應(yīng)謹(jǐn)慎使用棧空間：不要用棧分配大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用棧時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．存儲器保護限制一旦系統(tǒng)內(nèi)核開始運行，沒有任何存儲器保護，內(nèi)核的每次存儲器訪問都是對物理內(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)運行比在用戶態(tài)運行時指針引用更容易出問題。要調(diào)試運行于核態(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，但用戶在編寫內(nèi)核代碼時仍然要仔細(xì)檢查，避免一些不易調(diào)試的錯誤發(fā)生。4．異步中斷當(dāng)有重要事件發(fā)生的時候，許多硬件設(shè)備都用中斷來通知CPU：如定時器定時到、I/O請求完成等。中斷發(fā)生時，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，控制返回到中斷點繼續(xù)執(zhí)行。值得注意的是，中斷處理可能會引起線程交換，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)核模式下編程會相對容易。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。在頭文件<GeekOS/kassert.h>中，有一個宏定義KASSERT()，參數(shù)是一個布爾表達(dá)式。如果表達(dá)式的值是false時，就打印出一條信息，并暫停內(nèi)核運行。舉例如下：voidMy_Function(structThread_Queue*queue){KASSERT(!Interrupts_Enabled()); /*必須禁止中斷*/KASSERT(queue!=0); /*隊列不能為空*/...}用戶應(yīng)盡可能多地用斷點檢查函數(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。使用斷點有兩個好處：第一，若程序執(zhí)行出錯，斷點可以在內(nèi)核崩潰前，精確快速的幫助程序員定位程序中的出錯代碼；第二，斷點還可以幫助程序員檢測代碼正確性。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，因為調(diào)試時，用戶采用的策略都是先作假設(shè)，然后再