操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)GeekOS操作系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1、 操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書題 目：GeekOS操作系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)系 別： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 目錄 1 GeekOS概述311GeekOS系統(tǒng)源代碼結(jié)構(gòu)32 實(shí)驗(yàn)環(huán)境53 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)531 project053.11項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的53.12項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求53.13項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理53.13項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)63.14調(diào)試運(yùn)行結(jié)果732 project183.21項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的83.22項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求83.23項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理93.23項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)103.24調(diào)試運(yùn)行結(jié)果1133 project2123.31項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的123.32項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求123.33項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理133.23項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)153.24調(diào)試運(yùn)行結(jié)果2

2、54 遇到問題及解決方法265 學(xué)習(xí)總結(jié)27參考文獻(xiàn)271 GeekOS概述GeekOS是一個(gè)基于X86架構(gòu)的PC上運(yùn)行的微操作系統(tǒng)內(nèi)核。由美國(guó)馬理蘭大學(xué)的教師開發(fā)，是一個(gè)用C語言開發(fā)的操作系統(tǒng)。主要用于操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，目的是使學(xué)生能夠?qū)嶋H動(dòng)手參與到一個(gè)操作系統(tǒng)的開發(fā)工作中。出于教學(xué)目的，這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，卻又兼?zhèn)鋵?shí)用性，它可以運(yùn)行在真正的X86 PC硬件平臺(tái)。作為一個(gè)課程設(shè)計(jì)平臺(tái)，GeekOS由一個(gè)基本的操作系統(tǒng)內(nèi)核作為基礎(chǔ)，提供了操作系統(tǒng)與硬件之間的所有必備接口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)引導(dǎo)、實(shí)模式到保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換、中斷調(diào)用及異常處理、基于段式的內(nèi)存管理，F(xiàn)IFO進(jìn)程調(diào)度算法以及內(nèi)核進(jìn)程、基本的輸

3、入輸出（鍵盤作為輸入設(shè)備、顯示器作為輸出設(shè)備），以及一個(gè)用于存放用戶程序的只讀文件系統(tǒng)PFAT。學(xué)生可以在Linux或Unix環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)充，且其針對(duì)進(jìn)程、文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理等操作系統(tǒng)核心內(nèi)容分別設(shè)計(jì)了7個(gè)難度逐漸增加的項(xiàng)目供學(xué)生選擇 11GeekOS系統(tǒng)源代碼結(jié)構(gòu) GeekOS操作系統(tǒng)源文件可以從下載。解壓后的GeekOS目錄結(jié)構(gòu)如圖1-3所示:在doc目錄下文件hacking.pdf和index.htm是GeekOS系統(tǒng)的參考文檔。Scripts目錄下有startProject和removeEmptyConflicts兩個(gè)腳本文件。GeekOS系統(tǒng)的源文件在src目錄下，分為7個(gè)項(xiàng)

4、目：Project0, Project1, Project2, Project3, Project4, Project5, Project6。每個(gè)項(xiàng)目的文件結(jié)構(gòu)都類似，以Project0為例，結(jié)構(gòu)如圖1-4所示：在build文件夾中，包含系統(tǒng)編譯后的可執(zhí)行文件的文件、軟盤鏡像或是硬盤鏡像、makefile項(xiàng)目管理文件。在inculde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g(shù)eekOS支持的C語言標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)string.H頭文件。在scripts文件夾是項(xiàng)目編譯時(shí)要用到的一些腳本文件。Src文件夾中存

5、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。2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境（1）硬件環(huán)境：本次課設(shè)是在虛擬機(jī)上安裝Linux進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，具體安裝使用方法如下： <1>、安裝linux虛擬機(jī) 本次課設(shè)的虛擬機(jī)是運(yùn)行在oracle VM Virtualbox上的，下載Linux鏡像文件后，即可按提示即可安裝。 <2>、GeekOS：是一個(gè)基于X86架構(gòu)的PC機(jī)上運(yùn)行的微操作系統(tǒng)內(nèi)核，由美國(guó) 馬理蘭大學(xué)的教師開發(fā)，是一個(gè)用C語言開發(fā)的操作系

6、統(tǒng)， GeekOS主要 用于操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，目的是使學(xué)生能夠?qū)嶋H動(dòng)手參與到一個(gè)操作系統(tǒng)的 開發(fā)工作中。 GeekOS的使用：打開linux虛擬機(jī)，直接解壓GeekOS壓縮包就可使用， 無需安裝。 <3>、Bochs安裝和使用：在Linux系統(tǒng)中需先解壓軟件包，然后再配置編譯生成系統(tǒng)文件。（2）軟件環(huán)境：標(biāo)準(zhǔn)C語言3 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)31 project03.11項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的熟悉GeekOS的項(xiàng)目編譯、調(diào)試和運(yùn)行環(huán)境，掌握GeekOS運(yùn)行工作過程。3.12項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求（1）搭建GeekOS的編譯和調(diào)試平臺(tái)，掌握GeekOS的內(nèi)核進(jìn)程工作原理。（2）熟悉鍵盤操作函數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)核進(jìn)程。該

7、進(jìn)程的功能是：接受鍵盤輸入的字符并顯示到屏幕上，當(dāng)輸入Ctrl+D時(shí)，結(jié)束進(jìn)程的運(yùn)行。3.13項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理項(xiàng)目要求從鍵盤輸入，因此要用到鍵盤處理函數(shù) 。GeekOS的鍵盤處理函數(shù)定義在keyboard.h與keyboard.c 文件中。鍵盤的初始化是在Main函數(shù)中調(diào)用Init_Keyboard進(jìn)行的，Init_Keyboard主要功能是設(shè)置初始狀態(tài)下存放鍵盤掃描碼的緩沖區(qū)，并為鍵盤中斷設(shè)置處理函數(shù)。而鍵盤中斷處理過程是：首先從相應(yīng)的I/O端口讀取鍵盤掃描碼，根據(jù)是否按下Shift鍵，分別在鍵值表中尋找掃描碼對(duì)應(yīng)的按鍵值，經(jīng)過處理后將鍵值放入鍵盤緩沖區(qū)，最后通知系統(tǒng)重新調(diào)度進(jìn)程。若用戶進(jìn)程需要

8、從鍵盤輸入信息，可調(diào)用Wait_For_Key()函數(shù),進(jìn)程調(diào)用該函數(shù)后，會(huì)阻塞進(jìn)入按鍵操作的等待隊(duì)列，直到按鍵操作結(jié)束，進(jìn)程才會(huì)被喚醒。Start_Kernel_Thread函數(shù)主要功能就是建立一個(gè)內(nèi)核線程。本項(xiàng)目主要要求設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)對(duì)鍵盤的中斷進(jìn)行響應(yīng)。這主要通過使用Geekos提供的鍵盤響應(yīng)函數(shù)Wait_For_Key()進(jìn)行鍵盤中斷的響應(yīng)及返回鍵值。該函數(shù)首先檢查鍵盤緩沖區(qū)是否有按鍵，如果有，就讀取一個(gè)鍵碼，如果此時(shí)鍵盤緩沖區(qū)中沒有按鍵，就將線程放入鍵盤事件等待隊(duì)列。于是可分兩步完成:1 編寫函數(shù)，函數(shù)功能是：接受鍵盤輸入的按鍵，并將鍵值顯示到顯示器，當(dāng)輸入Ctrl+D退出。2 在Ma

9、in函數(shù)體內(nèi)調(diào)用Start_User_Thread函數(shù)，將編寫的函數(shù)地址傳遞給startFunc，建立一個(gè)內(nèi)核進(jìn)程。3.13項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)編寫的函數(shù)static void keyin(void) Keycode keycode;Print("n-Wait for your input,Ctrl+d to exit-n");while(1)keycode=Wait_For_Key(); /讀取鍵盤按鍵狀態(tài)if(!( (keycode & 0x0100) | (keycode & 0x8000) ) /處理非特殊按鍵的按下事件 int asciiCode = ke

10、ycode & 0x03ff; /低8位為Ascii碼if( (keycode & 0x4000)=0x4000 && asciiCode='d') /按下Ctrl鍵Print("n-Bye-n");Exit(1); elsePrint("%c",(asciiCode='r') ? 'n' : asciiCode); (2) 首先注釋Main()函數(shù)中TODO宏，并調(diào)用Start_Kernel_Thread函數(shù)，將步驟1編寫的函數(shù)地址傳遞給參數(shù)，建立一個(gè)內(nèi)核級(jí)進(jìn)程 struc

11、t Kernel_Thread *thread; thread = Start_Kernel_Thread(&project0,0,PRIORITY_NORMAL,false);(3) 執(zhí)行make depend及make命令，此時(shí)會(huì)在build目錄下生成fd.img(4) 編寫brochs 配置文件vgaromimage: file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latestromimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest, address=0xf0000megs: 8boot: afloppya: 1_

12、44=fd.img, status=inserted#floppya: 1_44=fd_aug.img, status=insertedlog: ./bochs.outkeyboard_serial_delay: 200floppy_command_delay: 500vga_update_interval: 300000ips: 1000000mouse: enabled=0private_colormap: enabled=0i440fxsupport: enabled=03.14調(diào)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)入/os/ project0/build目錄執(zhí)行 make depend執(zhí)行 make成功之后在

13、build 目錄下生成fd.img文件。啟動(dòng)bochs在build目錄中執(zhí)行bochs f bochsrc成功后，運(yùn)行結(jié)果：32 project13.21項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的熟悉ELF文件格式，了解GeekOS系統(tǒng)如何將ELF格式的用戶可執(zhí)行程序裝入內(nèi)存，建立內(nèi)核進(jìn)程并運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。3.22項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求(1)修改/geekos/elf.c文件：在函數(shù)Parse_ELF_Executable()中添加代碼，分析ELF格式的可執(zhí)行文件(包括分析得出ELF文件頭、程序頭，獲取可執(zhí)行文件長(zhǎng)度，代碼段、數(shù)據(jù)段等信息)，并填充Exe_Format數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的域值。(2)掌握GeekOS在核心態(tài)運(yùn)行用戶程序的原理，

14、為項(xiàng)目2的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。3.23項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理ELF是UNIX系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室作為應(yīng)用程序二進(jìn)制接口而開發(fā)和發(fā)布的。有兩個(gè)平行視圖。連接程序視圖 執(zhí)行程序視圖 ELF 頭部ELF 頭部 程序頭部表（可選） 程序頭部表 節(jié)區(qū)1 段 1 . 節(jié)區(qū) n 段 2 . . . 節(jié)區(qū)頭部表 節(jié)區(qū)頭部表（可選） GeekOS中的用戶程序全部在系統(tǒng)的編譯階段完成編譯和連接，形成可執(zhí)行文件，用戶可執(zhí)行文件保存在PFAT文件系統(tǒng)中。本項(xiàng)目要完成的就是在系統(tǒng)啟動(dòng)后，從PFAT文件系統(tǒng)將可執(zhí)行文件裝入內(nèi)存，建立進(jìn)程并運(yùn)行得到相應(yīng)的輸出。在磁盤中的ELF文件的映像和在內(nèi)存中執(zhí)行程序鏡像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示而此過程主要由Spaw

15、ner函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其主要經(jīng)過簡(jiǎn)要概述為：先調(diào)用Read_Fully函數(shù)將文件讀入內(nèi)存，后調(diào)用Parse_ELF_Executable函數(shù)分析ELF文件，最后調(diào)用Spawn_Program函數(shù)將可執(zhí)行程序的代碼段和數(shù)據(jù)段等裝入內(nèi)存，此后便可以開始運(yùn)行一個(gè)內(nèi)核級(jí)進(jìn)程了。如下圖所示：在本項(xiàng)目中，我們要完成Parse_ELF_Executable函數(shù)，此函數(shù)的作用為根據(jù)ELF文件格式，從exeFileData指向的內(nèi)容中得到ELF文件頭，繼續(xù)分析可得到程序頭和程序代碼段等信息。3.23項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)修改project/project1/src/geekos/elf.c文件：在函數(shù)Parse_ELF_Exe

16、cutable( )中添加代碼，分析 ELF格式的可執(zhí)行文件（包括分析得出ELF文件頭、程序頭，獲取可執(zhí)行文 件長(zhǎng)度，代碼段、數(shù)據(jù)段等信息），并填充Exe_Format數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的域值1、elf.c：將ELF格式的可執(zhí)行程序裝入到內(nèi)存，建立內(nèi)核進(jìn)程并運(yùn)行.= elf.c = int Parse_ELF_Executable(char *exeFileData, ulong_t exeFileLength, struct Exe_Format *exeFormat) int i; elfHeader *head=(elfHeader*)exeFileData; programHeader *pr

17、oHeader=(programHeader *)(exeFileData+head->phoff); KASSERT(exeFileData!=NULL); KASSERT(exeFileLength>head->ehsize+head->phentsize*head->phnum); KASSERT(head->entry%4=0); exeFormat->numSegments=head->phnum; exeFormat->entryAddr=head->entry; for(i=0;i<head->phnum;i

18、+) exeFormat->segmentListi.offsetInFile=proHeader->offset; exeFormat->segmentListi.lengthInFile=proHeader->fileSize; exeFormat->segmentListi.startAddress=proHeader->vaddr; exeFormat->segmentListi.sizeInMemory=proHeader->memSize; exeFormat->segmentLtFlags=proHeader-

19、>flags; proHeader+;return 0;=2、編譯，成功后生成兩個(gè)鏡像文件：fd.img和diskc.img。其中，Diskc.img為模擬器能引導(dǎo)的操作系統(tǒng)鏡像 。 3、編寫相應(yīng)的bochs配置文件 由于生成了diskc.img，因此配置文件需加上以下內(nèi)容config_interface: textconfigmegs: 8vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latestromimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latestfloppya: 1_44=./fd.img, status=inserte

20、data0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14ata1: enabled=0, ioaddr1=0x170, ioaddr2=0x370, irq=15#ata2: enabled=0, ioaddr1=0x1e8, ioaddr2=0x3e0, irq=11#ata3: enabled=0, ioaddr1=0x168, ioaddr2=0x360, irq=9ata0-master: type=disk, path="diskc.img", mode=flat, cylinders=40, heads=8,

21、spt=64#ata0-slave: type=cdrom, path="/dev/cdrom", status=insertedboot: aips: 1000000log:./bochs.outvga_update_interval: 300000keyboard_serial_delay: 250keyboard_paste_delay: 100000private_colormap: enabled=0 3.24調(diào)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)入/os/ project1/build目錄執(zhí)行 make depend執(zhí)行 make成功之后在build 目錄下生成fd.img、diskc

22、.img文件。啟動(dòng)bochs在build目錄中執(zhí)行成功后，運(yùn)行結(jié)果：33 project23.31項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的擴(kuò)充GeekOS操作系統(tǒng)內(nèi)核，使得系統(tǒng)能夠支持用戶級(jí)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和執(zhí)行。3.32項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求開始本項(xiàng)目前需要閱讀/src/geekos目錄中的entry.c、lowlevel.asm、kthread.c、userseg.c，其中在userseg.c中主要關(guān)注Destroy_User_Context()和Load_User_Program()兩個(gè)函數(shù)。本項(xiàng)目要求用戶對(duì)以下幾個(gè)文件進(jìn)行修改：1）“src/GeekOS/user.c”文件中的函數(shù)Spawn（），其功能是生成一個(gè)新的用戶級(jí)進(jìn)

23、程；2）“src/GeekOS/user.c”文件中的函數(shù)Switch_To_User_Context（），調(diào)度程序在執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程前調(diào)用該函數(shù)以切換用戶地址空間；3）“src/GeekOS/elf.c”文件中的函數(shù)Parse_ELF_Executable（）。該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)要求和項(xiàng)目1相同。4）“src/GeekOS/userseg.c”文件中主要是實(shí)現(xiàn)一些為實(shí)現(xiàn)對(duì)“src/GeekOS/user.c”中高層操作支持的函數(shù)。 Destroy_User_Context（）函數(shù)的功能是釋放用戶態(tài)進(jìn)程占用的內(nèi)存資源。 Load_User_Program（）函數(shù)的功能通過加載可執(zhí)行文件鏡像創(chuàng)建新進(jìn)程

24、的User_Context結(jié)構(gòu)。 Copy_From_User（）和Copy_To_User（）函數(shù)的功能是在用戶地址空間和內(nèi)核地址空間之間復(fù)制數(shù)據(jù)，在分段存儲(chǔ)器管理模式下，只要段有效，調(diào)用memcpy函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)函數(shù)的功能。 Switch_To_Address_Space（）函數(shù)的功能是通過將進(jìn)程的LDT裝入到LDT寄存器來激活用戶的地址空間；5)“src/GeekOS/kthread.c”文件中的Start_User_Thread函數(shù)和Setup_User_Thread函數(shù)。 Setup_User_Thread（）函數(shù)的功能是為進(jìn)程初始化內(nèi)核堆棧，堆棧中是為進(jìn)程首次進(jìn)入用戶態(tài)運(yùn)行時(shí)

25、設(shè)置處理器狀態(tài)要使用的數(shù)據(jù)。 Start_User_Thread（）是一個(gè)高層操作，該函數(shù)使用User_Context對(duì)象開始一個(gè)新進(jìn)程。6）“src/GeekOS/kthread.c”文件中主要是實(shí)現(xiàn)用戶程序要求內(nèi)核進(jìn)行服務(wù)的一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)定義。要求用戶實(shí)現(xiàn)的有Sys_Exit（）函數(shù)、Sys_PrintString（）函數(shù)、Sys_GetKey（）、Sys_SetAttr（）、Sys_GetCursor（）、Sys_PutCursor（）、Sys_Spawn（）函數(shù)、Sys_Wait（）函數(shù)和Sys_GetPID( )函數(shù)。7）在main.c文件中改寫生成第一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程的函數(shù)調(diào)用：Sp

26、awn_Init_Process(void) 。3.33項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理Geekos的初始系統(tǒng)不支持用戶態(tài)進(jìn)程，但提供了用戶態(tài)進(jìn)程上下文接口和實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)進(jìn)程需要用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所以，用戶態(tài)進(jìn)程及相關(guān)函數(shù)都要開發(fā)者實(shí)現(xiàn)。在Geekos中為了區(qū)分用戶態(tài)進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程，在Kernel_Thread結(jié)構(gòu)體中設(shè)置了一個(gè)字段userContext,指向用戶態(tài)進(jìn)程上下文。對(duì)于內(nèi)核進(jìn)程來說，這個(gè)指針為空，而用戶態(tài)進(jìn)程都擁有自己的用戶上下文。因此在Geekos中要判斷一個(gè)進(jìn)程是內(nèi)核進(jìn)程還是用戶態(tài)進(jìn)程，只要通過userContext字段是否為空來判斷就可以了。GeekOS的進(jìn)程結(jié)構(gòu)圖如10-1所示：圖10.1 用戶態(tài)

27、進(jìn)程結(jié)構(gòu)每個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程都擁有屬于自己的內(nèi)存段空間，如：代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等，每個(gè)段有一個(gè)段描述符（segment descriptor），并且每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)段描述符表（Local Descriptor Table），用于保存該進(jìn)程的所有段描述符。操作系統(tǒng)中還設(shè)置一個(gè)全局描述符表（GDT，Global Descriptor Table），用于記錄了系統(tǒng)中所有進(jìn)程的ldt描述符。GDT、LDT和User_Context的關(guān)系如圖10-2所示圖10-2 GDT、LDT和User_Context的關(guān)系根據(jù)exeFileData得出程序頭表的偏移量程序流程圖：用戶程序編譯和連接后形成可執(zhí)行文件保存在

28、PFAT文件系統(tǒng)從PFAT文件系統(tǒng)讀入可執(zhí)行文件裝入內(nèi)存緩沖區(qū)對(duì)裝入內(nèi)存中的可執(zhí)行文件進(jìn)行分析創(chuàng)建一個(gè)用戶進(jìn)程，并加入準(zhǔn)備運(yùn)行隊(duì)列用戶進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束，調(diào)用Exit函數(shù)退出初始化User_Context結(jié)構(gòu)，并將可執(zhí)行程序的程序段和數(shù)據(jù)段載入內(nèi)存GeekOS的用戶級(jí)進(jìn)程創(chuàng)建過程可以描述如下：(1)Spawn函數(shù)導(dǎo)入用戶程序并初始化：調(diào)用Load_User_Program進(jìn)行User_Context的初始化及用戶級(jí)進(jìn)程空間的分配及用戶程序各段的裝入；(2)Spawn函數(shù)調(diào)用Start_User_Thread()，初始化一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程，包括初始化進(jìn)程Kernel_Thread結(jié)構(gòu)以及調(diào)用Setup_U

29、ser_Thread初始化用戶級(jí)進(jìn)程內(nèi)核堆棧；(3)最后Spawn函數(shù)退出，這時(shí)用戶級(jí)進(jìn)程已被添加至系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程隊(duì)列，可以被調(diào)度了。3.23項(xiàng)目具體實(shí)現(xiàn)1、添加代碼= user.c =/產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程（用戶態(tài)）int Spawn(const char *program, const char *command, struct Kernel_Thread *pThread) /TODO("Spawn a process by reading an executable from a filesystem"); int rc; /標(biāo)記各函數(shù)的返回值，為0則表示成功，否則失敗 ch

30、ar *exeFileData = 0;/保存在內(nèi)存緩沖中的用戶程序可執(zhí)行文件 ulong_t exeFileLength;/可執(zhí)行文件的長(zhǎng)度 struct User_Context *userContext = 0;/指向User_Conetxt的指針 struct Kernel_Thread *process = 0;/指向Kernel_Thread *pThread的指針 struct Exe_Format exeFormat;/調(diào)用Parse_ELF_Executable函數(shù)得到的可執(zhí)行文件信息 if (rc = Read_Fully(program, (void*) &exe

31、FileData, &exeFileLength) != 0 ) /調(diào)用Read_Fully函數(shù)將名為program的可執(zhí)行文件全部讀入內(nèi)存緩沖區(qū) Print("Failed to Read File %s!n", program); goto fail; if(rc = Parse_ELF_Executable(exeFileData, exeFileLength, &exeFormat) != 0 ) /調(diào)用Parse_ELF_Executable函數(shù)分析ELF格式文件 Print("Failed to Parse ELF File!n&quo

32、t;); goto fail; if(rc = Load_User_Program(exeFileData, exeFileLength, &exeFormat, command, &userContext) != 0) /調(diào)用Load_User_Program將可執(zhí)行程序的程序段和數(shù)據(jù)段裝入內(nèi)存 Print("Failed to Load User Program!n"); goto fail; /在堆分配方式下釋放內(nèi)存并再次初始化exeFileData Free(exeFileData); exeFileData = 0;/* 開始用戶進(jìn)程,調(diào)用Star

33、t_User_Thread函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程并使其進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行隊(duì)列*/ process = Start_User_Thread(userContext, false); if (process != 0) /不是核心級(jí)進(jìn)程(即為用戶級(jí)進(jìn)程) KASSERT(process->refCount = 2);/* 返回核心進(jìn)程的指針 */ *pThread = process; rc = process->pid;/記錄當(dāng)前進(jìn)程的ID else/超出內(nèi)存 project2includegeekoserrno.h rc = ENOMEM; return rc;fail: /如果新進(jìn)程創(chuàng)建失敗

34、則注銷User_Context對(duì)象 if (exeFileData != 0) Free(exeFileData);/釋放內(nèi)存 if (userContext != 0) Destroy_User_Context(userContext);/銷毀進(jìn)程對(duì)象 return rc;-/切換至用戶上下文void Switch_To_User_Context(struct Kernel_Thread* kthread, struct Interrupt_State* state) /TODO("Switch to a new user address space, if necessary&q

35、uot;); static struct User_Context* s_currentUserContext; /* last user context used */ /extern int userDebug; struct User_Context* userContext = kthread->userContext;/指向User_Conetxt的指針，并初始化為準(zhǔn)備切換的進(jìn)程 KASSERT(!Interrupts_Enabled(); if (userContext = 0) /userContext為0表示此進(jìn)程為核心態(tài)進(jìn)程就不用切換地址空間 return; if (u

36、serContext != s_currentUserContext) ulong_t esp0; /if (userDebug) Print("A%pn", kthread); Switch_To_Address_Space(userContext);/為用戶態(tài)進(jìn)程時(shí)則切換地址空間 esp0 = (ulong_t) kthread->stackPage) + PAGE_SIZE; /if (userDebug) / Print("S%lxn", esp0);/* 新進(jìn)程的核心棧. */ Set_Kernel_Stack_Pointer(esp0)

37、;/設(shè)置內(nèi)核堆棧指針/* New user context is active */ s_currentUserContext = userContext; = elf.c =同 project1= userseg.c =/需在此文件各函數(shù)前增加一個(gè)函數(shù)，此函數(shù)的功能是按給定的大小創(chuàng)建一個(gè)用戶級(jí)進(jìn)程上下文，具體實(shí)現(xiàn)如下：/函數(shù)功能:按給定的大小創(chuàng)建一個(gè)用戶級(jí)進(jìn)程上下文static struct User_Context* Create_User_Context(ulong_t size) struct User_Context * UserContext; size = Round_Up_To

38、_Page(size); UserContext = (struct User_Context *)Malloc(sizeof(struct User_Context); /為用戶態(tài)進(jìn)程 if (UserContext != 0) UserContext->memory = Malloc(size); /為核心態(tài)進(jìn)程 else goto fail; /內(nèi)存為空 if (0 = UserContext->memory) goto fail; memset(UserContext->memory, '0', size); UserContext->size

39、= size; /以下為用戶態(tài)進(jìn)程創(chuàng)建LDT(段描述符表) /新建一個(gè)LDT描述符 UserContext->ldtDescriptor = Allocate_Segment_Descriptor(); if (0 = UserContext->ldtDescriptor) goto fail; /初始化段描述符 Init_LDT_Descriptor(UserContext->ldtDescriptor, UserContext->ldt, NUM_USER_LDT_ENTRIES); /新建一個(gè)LDT選擇子 UserContext->ldtSelector =

40、 Selector(KERNEL_PRIVILEGE, true, Get_Descriptor_Index(UserContext->ldtDescriptor); /新建一個(gè)文本段描述符 Init_Code_Segment_Descriptor( &UserContext->ldt0, (ulong_t) UserContext->memory, size / PAGE_SIZE, USER_PRIVILEGE ); /新建一個(gè)數(shù)據(jù)段 Init_Data_Segment_Descriptor( &UserContext->ldt1, (ulong_t

41、) UserContext->memory, size / PAGE_SIZE, USER_PRIVILEGE ); /新建數(shù)據(jù)段和文本段選擇子 UserContext->csSelector = Selector(USER_PRIVILEGE, false, 0); UserContext->dsSelector = Selector(USER_PRIVILEGE, false, 1); /將引用數(shù)清0 UserContext->refCount = 0; return UserContext;fail: if (UserContext != 0) if (UserC

42、ontext->memory != 0) Free(UserContext->memory); Free(UserContext); return 0;-/摧毀用戶上下文void Destroy_User_Context(struct User_Context* userContext) /TODO("Destroy a User_Context"); /釋放占用的LDT Free_Segment_Descriptor(userContext->ldtDescriptor); userContext->ldtDescriptor=0; /釋放內(nèi)存空間

43、 Free(userContext->memory); userContext->memory=0; /釋放userContext本身占用的內(nèi)存 Free(userContext); userContext=0;-int Load_User_Program(char *exeFileData, ulong_t exeFileLength,struct Exe_Format *exeFormat, const char *command, struct User_Context *pUserContext) /TODO("Load a user executable int

44、o a user memory space using segmentation"); int i; ulong_t maxva = 0;/要分配的最大內(nèi)存空間 unsigned numArgs;/進(jìn)程數(shù)目 ulong_t argBlockSize;/參數(shù)塊的大小 ulong_t size, argBlockAddr;/參數(shù)塊地址 struct User_Context *userContext = 0; /計(jì)算用戶態(tài)進(jìn)程所需的最大內(nèi)存空間 for (i = 0; i < exeFormat->numSegments; +i) /elf.h struct Exe_Segm

45、ent *segment = &exeFormat->segmentListi; ulong_t topva = segment->startAddress + segment->sizeInMemory; /* FIXME: range check */ if (topva > maxva) maxva = topva; Get_Argument_Block_Size(command, &numArgs, &argBlockSize);/獲取參數(shù)塊信息 size = Round_Up_To_Page(maxva) + DEFAULT_USER_

46、STACK_SIZE;/用戶進(jìn)程大小=參數(shù)塊總大小 + 進(jìn)程堆棧大小(8192) argBlockAddr = size; size += argBlockSize; userContext = Create_User_Context(size);/按相應(yīng)大小創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程 if (userContext = 0)/如果為核心態(tài)進(jìn)程 return -1; for (i = 0; i < exeFormat->numSegments; +i) struct Exe_Segment *segment = &exeFormat->segmentListi; /根據(jù)段信息將用戶

47、程序中的各段內(nèi)容復(fù)制到分配的用戶內(nèi)存空間 memcpy(userContext->memory + segment->startAddress, exeFileData + segment->offsetInFile,segment->lengthInFile); /格式化參數(shù)塊 Format_Argument_Block(userContext->memory + argBlockAddr, numArgs, argBlockAddr, command); /初始化數(shù)據(jù)段，堆棧段及代碼段信息 userContext->entryAddr = exeForm

48、at->entryAddr; userContext->argBlockAddr = argBlockAddr; userContext->stackPointerAddr = argBlockAddr; /將初始化完畢的User_Context賦給*pUserContext *pUserContext = userContext; return 0;/成功-/將用戶態(tài)的進(jìn)程復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)bool Copy_From_User(void* destInKernel, ulong_t srcInUser, ulong_t bufSize) /TODO("Copy m

49、emory from user buffer to kernel buffer"); struct User_Context * UserContext = g_currentThread->userContext; /-: check if memory if validated if (!Validate_User_Memory(UserContext,srcInUser, bufSize) return false; /-:user->kernel memcpy(destInKernel, UserContext->memory + srcInUser, bu

50、fSize); return true;-/將內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程復(fù)制到用戶態(tài)bool Copy_To_User(ulong_t destInUser, void* srcInKernel, ulong_t bufSize) /TODO("Copy memory from kernel buffer to user buffer") struct User_Context * UserContext = g_currentThread->userContext; /-: check if memory if validated if (!Validate_User_Memor

51、y(UserContext, destInUser, bufSize) return false; /-:kernel->user memcpy(UserContext->memory + destInUser, srcInKernel, bufSize); return true;-/切換到用戶地址空間void Switch_To_Address_Space(struct User_Context *userContext) /TODO("Switch to user address space using segmentation/LDT"); ushort

52、_t ldtSelector= userContext->ldtSelector;/* Switch to the LDT of the new user context */ _asm_ _volatile_ ("lldt %0":"a"(ldtSelector); = kthread.c =添加頭文件 #include <geekos/user.h>-/創(chuàng)建一個(gè)用戶進(jìn)程/*static*/ void Setup_User_Thread(struct Kernel_Thread* kthread, struct User_Context* userContext) /TODO("Create a new thread to execute in user mode"); ulong_t eflags = EFLAGS_IF; unsigned csSelector=userContext->csSelector;/CS選擇子 unsigned dsSelector=userContext-&g