GeekOS操作系统实验报告文档格式.docx
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为达到实验目的效果，实验要求针对进程管理等操作系统核心内容进行相应的3项目要求。
其项目和要求为：
1.project0
1）建GeekOs的编译和调试平台，掌握GeekOs的内核进程工作原理；
2）熟悉键盘操作函数，编程实现一个内核进程。
该进程的功能是：
接收键盘输入的字符并显示到屏幕中，当输入Ctrl+D时，结束进程运行。
2.project1
1）修改/geekos/elf.c文件：
在函数Parse_ELF_Executable（）中添加代码，分析ELF格式文件（包括分析得出ELF文件头、程序头，获取可执行文件长度，代码段、数据段等信息），并填充Exe_Format数据结构中的域值。
2）掌握GeekOs在核心态用户程序的原理，为实现项目2的实现做准备。
3.project2
本项目需要阅读/src/geekos目录中的entry.c、lowlevel.asm、kthread.c、userseg.c，其中在userseg.c中主要关注Destroy_User_Context（）和Load_User_Program（）两个函数。
项目要求为：
1）user.c：
完成函数Spawn（）和Switch_To_User_Context（）。
2）elf.c：
完成函数Parse_ELF_Executable（），要求与项目1相同。
3）userseg.c：
完成函数Destroy_User_Context（）、Load_User_Program（）、Copy_From_User（）、Copy_To_User（）和Switch_To_Address_Space（）。
4）kthread.c：
完成函数Setup_User_Thread（）和Start_User_Thread（）。
5）syscall.c：
完成函数Sys_Exit（）、Sys_PrintString（）、Sys_GetKey（）、Sys_SetAttr（）、Ss_GetCursor（）、Sys_PutCursor（）、Sys_Spawn（）、Sys_Wait（）和Sys_GetPID（）。
6）main.c：
改写Spawn_Init_Process（void），改写时将“/c/shell.exe”作为可执行文件传递给Spawn函数的program参数，创建第一个用户态进程，然后由它来创建其它进程。
四、项目设计原理
Cygwin是一个在Windows平台上运行的UNIX模拟环境，是CygnusSolution公司开发的自由软件。
Cygwin把gcc、gdb、gas等开发工具进行改进，使它们能生成并解释Win32目标文件，然后写了一个共享库，把Win32中没有的UNIX风格的调用封装在里面，把封装的工具源代码与共享库连接在一起，皆可以使用类UNIX主机上的交叉编译器来生成Windows平台上运行的工具集。
因此，可以使用Windows上的Cygwin作为开发环境。
要创建开发环境，也可以使用Linux作为GeekOS开发调试环境，可以使用RedHat7.0以上的Linux版本。
而安装Linux平台可以直接安装Linux操作系统到主机上，也可以先在Windows上安装VMware虚拟机，在通过在VMware虚拟机安装Linux操作系统。
拥有可以编译GeekOS的操作环境，还需要一个可以调试GeekOS的PC虚拟机，由于目前GeekOS只能支持在Bochs虚拟机上运行，因此，需要安装Bochs。
项目0中，要求实现接收键盘输入的字符并显示到屏幕中的内核进程。
而键盘设备驱动程序提供了一系列的高级接口来使用键盘。
键盘事件的逻辑关系为：
用户按键引发键盘中断，根据是否按下Shift键，分别在键值表中寻找扫描码对应的按键值，经过处理后将键值放入键盘缓冲区s_queue中，最后通知系统重新调度进程。
若用户进程需要从键盘输入信息，可调用Wait_For_Key（）函数,该函数首先检查键盘缓冲区是否有按键。
如果有，就读取一个键码，如果此时键盘缓冲区中没有按键，就将进程放入键盘事件等待队列s_waitQueue，由于按键触发了键盘中断，键盘中断处理函数Keyboard_Interrupt_Handler就会读取用户按键，将低级键扫描码转换为含ASCII字符的高级代码，并刷新键盘缓冲区，最后唤醒等待按键的进程继续运行。
项目2要求熟悉ELF文件格式，了解GeekOS系统如何将ELF格式的用户可执行文件程序装入到内存，并建立内核进程并运行的实现技术。
ELF（Executableandlinkingformat）文件是UNIX系统实验室作为应用程序二进制接口而开发的可执行文件，是x86Linux系统下的一种常用目标文件（objectfile）格式。
ELF文件格式如下表1。
表1ELF目标文件格式
连接程序视图
执行程序视图
ELF头部
ELF头部
程序头部表（可选）
程序头部表
节区1
段1
...
节区n
段2
节区头部表
节区头部表（可选）
ELF文件在磁盘中的映象和在内存中的执行程序镜像的对应关系如下图：
图1ELF文件和内存中的可执行文件镜像
内核进程的创建流程如下图：
图2内核进程流程图
Parse_ELF_Excutable函数的定义为：
intParse_ELF_Executable（char*exeFileData，ulong_texeFileLength，tructExe_Format*exeFormat）
参数：
exeFileData——已装入内存的可执行文件所占用空间的起始地址
exeFileLength——可执行文件长度
exeFormat——保存分析得到的elf文件信息的结构体指针根据ELF文件格式，用户可以从exeFileData指向的内容中得到ELF文件头，继续分析可以得到程序头，程序代码段等信息。
进程是在计算机系统引入多道程序设计技术后，为描述和控制系统内部各程序运行而引入的一个概念。
后来为提高程序运行的并行度和系统的执行效率，又引进了线程的概念。
而GeekOS的线程实质上是进程，GeekOS的内核只提供核心级进程，但可以开发扩展使之支持核心级进程和用户级进程。
ⅰ、GeekOS进程状态及转化
在操作系统中，可以多个任务可以共享CPU，但一个进程在整个生命周期中有时候能占有CPU，有时候并不能占用CPU。
GeekOS系统中，进程在一个生命周期中分为3中不同的状态。
即当前运行态、准备运行态和等待状态。
其住哪个台之间的转化如图3所示
图3GeekOS进程状态转换
ⅱ、GeekOS初始化的进程
在GeekOS中最早初始化的Main进程，由Main执行初始化调度函数Init_Scheduler（）来执行Start_Kernel_Thread（）函数来创建Idle和Reaper。
其中Idel实际上什么都没做，但它的作用是保证准备运行的进程队列中有可调度的进程。
而Reaper是负责消亡进程的善后工作，负责释放消亡进程所占有资源，内存、堆栈等等。
ⅲ、进程的调度
GeekOS会在以下几种情况下调度进程切换：
1）时间片用完；
2）执行内核进程Idel；
3）进程退出调用Exit函数时；
4）进入等待状态Wait函数被调用时。
后三中情况都会调用Sceduler（）函数。
而Sceduler（）函数是调用底层操作lowllevel.asm里的Switch_To_Thread函数切换内核进程。
用户进程的调度比内核江南城调度复杂，原因是用户进程又有自己的地址空间，并不在内核的代码段范围内。
用户进程的切换同样适用到Switch_To_Thread函数，但在此过程中多了对Activate_User_Context的调用，负责检测当前进程是否为用户进程，若是则切换到用户进程空间。
ⅳ、进程调度的策略
GeekOS的初始进程调度策略是时间片轮换调度，所有准备运行的进程都放在一个FIFO的队列里，按先来先出的顺序排队。
当发生进程调度时，系统在这个队列中查找最高级别的进程进入运行。
五、项目设计的具体实现
ⅰ、在Windows上安装VMware
从网上下载VMware，笔者下载的是汉化版的VMware，压缩包内含有免费的License。
解压压缩包，按照提示完成安装。
值得注意的一点是，在设置虚拟磁盘时，建议初学者使用Createanewvirtualdisk。
ⅱ、在虚拟机VMware安装Linux
安装VMware完成后，当点击VMware上的开机按钮时，虚拟机将开机运行，但可以看到机器没有操作系统无法继续运行。
本实验采用RedHat9.0作为操作系统安装虚拟机。
具体安装步骤在此不做详细说明。
但值得一提的是在“选择软件包组”的时候，必须选择在“开发工具”里勾选GCC和NASM以保证编译环境正确建立。
ⅲ、BochsPC模拟器的安装
GeekOS是运行于Linux下的BochsPC模拟器上，Bochs是使用C++开发的可一直的IA-32PC模拟器，几乎可以运行在所有主流平台上。
a.从上下载一个bochs-2.1.1.i386.rpm，
b.开始安装，如：
[root@localhostsh]#rpm-ivhbochs-2.1.1.i386.rpm
Preparing...
######################[100%]
1:
bochs
[root@localhostsh]#
已经安装目录/usr/share/bochs下。
c.编辑.bochsrc文件：
#Anexample.bochsrcfile.
#Youwillneedtoedittheselinestoreflectyoursystem.
vgaromimage:
/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest
romimage:
file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest,address=0xf0000
megs:
8
boot:
a
floppya:
1_44=fd.img,status=inserted
#floppya:
1_44=fd_aug.img,status=inserted
log:
./bochs.out
keyboard_serial_delay:
200
floppy_command_delay:
500
vga_update_interval:
300000
ips:
1000000
mouse:
enabled=0
private_colormap:
i440fxsupport:
#newharddrivesupport:
enabled=1
#Uncommentthistowriteallbochsdebuggingmessagesto
#bochs.out.Thisproducesalotofoutput,butcanbevery
#usefulfordebuggingthekernel.
#debug:
action=report
到此bochs安装完毕。
ⅳ、编写键盘功能函数
在/project0/src/geekos/main.c的代码文件中添加一个函数，主要是用于接收键盘输入，并显示已输入字符串的功能。
函数名为project0（），其代码为：
voidproject0（）
{Print（"
ToExithitCtrl+d.\n"
）;
inti=0;
Keycodekeycode;
while
（1）{
if（Read_Key（&
keycode））
{//读取键盘按键状态
if（!
（（keycode&
KEY_SPECIAL_FLAG）||（keycode&
KEY_RELEASE_FLAG）））
{//只处理非特殊按键的按下事件
intasciiCode=keycode&
0xff;
//低8位为Ascii码
if（（keycode&
KEY_CTRL_FLAG）==KEY_CTRL_FLAG&
&
asciiCode=='
d'
）
{//按下Ctrl键
Print（"
\n---------BYE!
--------\n"
Exit
（1）;
}else{
//统计字数
if（asciiCode!
='
\r'
）
{Print（"
%c"
keycode）;
i++;
}
else
{
%s%d%s"
"
\nYouhavepress（"
i,"
）keys\n"
i=0;
}
}
然后再main函数中作相应的修改，即在TODO（"
Startakernelthreadtoechopressedkeysandprintcounts"
下面添加程序为：
structKernel_Thread*thread;
thread=Start_Kernel_Thread（&
project0,0,PRIORITY_NORMAL,false）;
并把TODO提示语句给注释掉。
该项目需要实现对/geekos/elf.c文件，在函数Parse_ELF_Excuteable（）中添加代码。
其代码实现为：
inti;
elfHeader*head=（elfHeader*）exeFileData;
programHeader*proHeader=（programHeader*）（exeFileData+head->
phoff）;
KASSERT（exeFileData!
=NULL）;
KASSERT（exeFileLength>
head->
ehsize+head->
phentsize*head->
phnum）;
KASSERT（head->
entry%4==0）;
exeFormat->
numSegments=head->
phnum;
entryAddr=head->
entry;
for（i=0;
i<
i++）
segmentList[i].offsetInFile=proHeader->
offset;
segmentList[i].lengthInFile=proHeader->
fileSize;
segmentList[i].startAddress=proHeader->
vaddr;
segmentList[i].sizeInMemory=proHeader->
memSize;
segmentList[i].protFlags=proHeader->
flags;
proHeader++;
return0;
ⅰ、修改user.c文件的Spawn（）函数，生成一个新的用户级进程，其代码：
intSpawn（constchar*program,constchar*command,structKernel_Thread**pThread）
{
//TODO（"
Spawnaprocessbyreadinganexecutablefromafilesystem"
intrc;
//标记各函数的返回值，为0则表示成功，否则失败
char*exeFileData=0;
//保存在内存缓冲中的用户程序可执行文件
ulong_texeFileLength;
//可执行文件的长度
structUser_Context*userContext=0;
//指向User_Conetxt的指针
structKernel_Thread*process=0;
//指向Kernel_Thread*pThread的指针
structExe_FormatexeFormat;
//调用Parse_ELF_Executable函数得到的可执行文件信息
if（（rc=Read_Fully（program,（void**）&
exeFileData,&
exeFileLength））!
=0）
{//调用Read_Fully函数将名为program的可执行文件全部读入内存缓冲区
FailedtoReadFile%s!
\n"
program）;
gotofail;
if（（rc=Parse_ELF_Executable（exeFileData,exeFileLength,&
exeFormat））!
{//调用Parse_ELF_Executable函数分析ELF格式文件
FailedtoParseELFFile!
if（（rc=Load_User_Program（exeFileData,exeFileLength,&
exeFormat,command,&
userContext））!
=0）
{//调用Load_User_Program将可执行程序的程序段和数据段装入内存
FailedtoLoadUserProgram!
//在堆分配方式下释放内存并再次初始化exeFileData
Free（exeFileData）;
exeFileData=0;
/*开始用户进程,调用Start_User_Thread函数创建一个进程并使其进入准备运行队列*/
process=Start_User_Thread（userContext,false）;
if（process!
=0）{//不是核心级进程（即为用户级进程
KASSERT（process->
refCount==2）;
/*返回核心进程的指针*/
*pThread=process;
rc=process->
pid;
//记录当前进程的ID
}else//超出内存project2\include\geekos\errno.h
rc=ENOMEM;
returnrc;
fail:
//如果新进程创建失败则注销User_Context对象
if（exeFileData!
//释放内存
if（userContext!
Destroy_User_Context（userContext）;
//销毁进程对象
ⅱ、src/geekos/user.c中的Swith_To_User_Context（）函数，其实现代码为：
voidSwitch_To_User_Context（structKernel_Thread*kthread,structInterrupt_State*state）
/*
*Hint:
Beforeexecutinginusermode,youwillneedtocall
*theSet_Kernel_Stack_Pointer（）andSwitch_To_Address_Space（）
*functions.
*/
Switchtoanewuseraddressspace,ifnecessary"
staticstructUser_Context*s_currentUserContext;
/*lastusercontextused*/
//externintuserDebug;
structUser_Context*userContext=
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