GeekOS教学操作系统概论

图1-3GeekOS系统主目录图1-4项目文件结构图在build文件夹中，包含系统编译后的可执行文件的文件、软盘镜像fd.img（project1等项目中还包含有磁盘镜像diskc.img）、makefile项目管理文件。在Include文件夹中有geekos和libc两个子目录，在geekos子目录中有kthread.h、keyboard.h等头文件，在libc中包含有GeekOS支持的C语言标准函数string.h头文件。在scripts文件夹中是项目编译时要用到的一些脚本文件。src文件夹中存放系统内核源代码，用户修改GeekOS系统时要修改的源代码如main.c等都位于这个目录中。在User子目录中一般是用来存放用户的测试文件，在tools子目录中的代码是用来建立pfat测试文件系统的。在提供的GeekOS内核系统的基础上，为学生设计了7个由易到难的设计项目用于GeekOS的改进。这些项目分别涵盖了操作系统内核的各个基本模块：系统启动、进程管理、存储管理、文件系统、访问控制以及进程间网络通信。7个项目都规定了改进的目标，并提供了一些设计指导性的意见，但没有提供源代码，所以学生首先必须熟悉GeekOS的基本工作原理，才能开展各个项目的设计与实现。项目0：主要是让学生熟悉GeekOS的编译、运行过程，了解计算机系统的启动原理。项目0要求实现一个内核进程，功能是实现从键盘接收一个按键，并在屏幕上显示。项目1：主要让学生熟悉可执行链接文件（ELF文件）的结构，并学会加载和运行可执行文件。项目要求学生熟悉ELF文件格式，并编写代码对ELF文件进行分析，并将分析结果传送给加载器。项目2：要求学生实现对用户态进程的支持。在项目2实现之前，GeekOS一直使用内核进程。对用户态进程执行的支持包括用户态进程结构的初始化、用户进程空间的初始化、用户进程切换和用户程序导入等。该项目中，存储分配依然使用分段分配方式。实现项目2后，用户就可以使用GeekOS提供的命令行解释器Shell运行一些命令来执行PFAT文件系统内的用户测试程序。项目3：要求学生改进GeekOS的调度程序，实现基于4级反馈队列的调度算法（初始GeekOS系统仅提供了FIFO进程调度算法），并实现信号量，支持进程间通信。项目4：要求学生实现分页虚存管理，以替代在项目1和项目2中采用的分段存储管理。实现分页虚存管理后。系统在内存不够的情况下就可以将部分页调到硬盘，以释放内存实现虚拟存储技术。项目5：要求实现GOSFS文件系统。由于GeekOS使用了虚拟文件系统，可以加载不同的文件系统，而系统默认加载的是PFAT只读文件系统。在这个项目中，需要实现一个多极目录的、可读写的文件系统。项目6：要求为文件系统增加访问控制列表，并使用匿名半双工管道实现进程间通信。在某种程度上，GeekOS就是一个简单的C程序，有功能函数、线程、内存分配等。但与在装有Linux或Windows操作系统中运行的C语言程序不同，一般C语言程序是运行在用户态的，而GeekOS是运行在核态的（也称系统态）。在核态运行的程序可以完全控制计算机的CPU、内存和外部设备，所以编写运行于核态的程序时有一些需要特别注意的问题，修改GeekOS内核代码时要特别注意GeekOS内核运行环境的一些限制。1．有限库函数因为操作系统是计算机中最底层的软件，内核使用的所有功能函数必须能在内核执行。这与用户程序不同，用户程序可与一系列包含常用函数的标准库连接。GeekOS中唯一能使用的标准C语言库函数是字符串函数的一个子集（strcpy()、memcpy()函数）和snprintf()函数，这些函数的原型定义在<GeekOS/string.h>头文件中。除标准C语言库函数外，GeekOS内核还有一些与C语言库函数类似的函数，如Print()函数（函数原型定义在<GeekOS/screen.h>中），是标准C函数printf()函数的功能子集；Malloc()和Free()函数则相当于标准C的malloc()和free()函数（函数原型定义在<GeekOS/malloc.h>中）。2．有限栈空间GeekOS内核中的每个线程可以使用大小为4KB的栈。如果某个线程堆栈溢出将导致系统内核崩溃。因此，在编程时应谨慎使用栈空间：不要用栈分配大的数据结构，使用栈时尽量使用堆栈分配函数Malloc()和Free()；程序中不要使用递归，避免函数深层次的调用。3．存储器保护限制一旦系统内核开始运行，没有任何存储器保护，内核的每次存储器访问都是对物理内存单元的访问，即使是引用空指针系统也无法捕获（trapped）。因此，系统在核态运行比在用户态运行时指针引用更容易出问题。要调试运行于核态的程序是比较难的，所以用户必须仔细检查编写的代码，确保没有内存访问错误。如果用户为GeekOS内核增加虚拟内存管理功能，那内核将获得较好的内存访问保护，但用户在编写内核代码时仍然要仔细检查，避免一些不易调试的错误发生。4．异步中断当有重要事件发生的时候，许多硬件设备都用中断来通知CPU：如定时器定时到、I/O请求完成等。中断发生时，控制权异步传送给中断处理程序，当中断处理结束时，控制返回到中断点继续执行。值得注意的是，中断处理可能会引起线程交换，这就意味着在控制返回到被中断的线程前，系统可能会执行其他线程。如果用户遵守上述的限制，在内核模式下编程会相对容易。不仅如此，为使用户更顺利地深入内核编程，还建议用户养成下列编程习惯。使用断点。在头文件<GeekOS/kassert.h>中，有一个宏定义KASSERT()，参数是一个布尔表达式。如果表达式的值是false时，就打印出一条信息，并暂停内核运行。举例如下：voidMy_Function(structThread_Queue*queue){KASSERT(!Interrupts_Enabled()); /*必须禁止中断*/KASSERT(queue!=0); /*队列不能为空*/...}用户应尽可能多地用断点检查函数执行的前提条件、后继条件和数据结构的特性等。使用断点有两个好处：第一，若程序执行出错，断点可以在内核崩溃前，精确快速的帮助程序员定位程序中的出错代码；第二，断点还可以帮助程序员检测代码正确性。使用Print语句。在<GeekOS/screen.h>头文件定义了Print()函数，它支持标准C语言函数printf()的大部分功能。Print是最常用也是最有效的用于调试内核代码的语句，因为调试时，用户采用的策略都是先作假设，然后再