Nachos平台操作系统上机实践指南

基于Nachos平台的操作系统上机实践指南 Nachos平台操作系统上机实践指南 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc117489462" 第一章 试验环境介绍 4 HYPERLINK \l "_Toc117489463" 1.1 引言 4 HYPERLINK \l "_Toc117489464" 1.2 Nachos平台的功能特点简介 4 HYPERLINK \l "_Toc117489465" 1.2.1 什么是Nachos 4 HYPERLINK \l "_Toc117489466" 1.2.2 Nachos的特点功能介绍 4 HYPERLINK \l "_Toc117489467" 1.3 Nachos平台的搭建与配置 5 HYPERLINK \l "_Toc117489468" 1.3.1 Nachos试验环境文件列表 5 HYPERLINK \l "_Toc117489469" 1.3.2 Nachos试验环境搭建步骤 6 HYPERLINK \l "_Toc117489470" 1.3.3 Nachos的功能模块组成结构 22 HYPERLINK \l "_Toc117489471" 1.3.4 Nachos的编译运行开发环境 22 HYPERLINK \l "_Toc117489472" 第二章 Nachos平台技术实现说明 24 HYPERLINK \l "_Toc117489473" 2.1 Nachos的机器模拟机制概述 24 HYPERLINK \l "_Toc117489474" 2.1.1 Sysdep模块实现机制分析 24 HYPERLINK \l "_Toc117489475" 2.1.2 中断处理模块实现机制分析 27 HYPERLINK \l "_Toc117489476" 2.1.3 时钟中断模块实现机制分析 28 HYPERLINK \l "_Toc117489477" 2.1.4 终端设备模块实现机制分析 29 HYPERLINK \l "_Toc117489478" 2.1.5 磁盘设备模块实现机制分析 29 HYPERLINK \l "_Toc117489479" 2.1.6 系统运行情况统计 30 HYPERLINK \l "_Toc117489480" 2.2 Nachos中的进程/线程管理 30 HYPERLINK \l "_Toc117489481" 2.2.1 相关回顾 30 HYPERLINK \l "_Toc117489482" 2.2.2 功能概述 30 HYPERLINK \l "_Toc117489483" 2.2.3 具体模块实现介绍 31 HYPERLINK \l "_Toc117489484" 2.3 Nachos中的文件系统管理 33 HYPERLINK \l "_Toc117489485" 2.3.1 相关知识点回顾 33 HYPERLINK \l "_Toc117489486" 2.3.2 功能概述 34 HYPERLINK \l "_Toc117489487" 2.3.3 具体模块实现介绍 34 HYPERLINK \l "_Toc117489488" 2.4 Nachos中的存储系统管理 36 HYPERLINK \l "_Toc117489489" 2.4.1 相关知识点回顾 36 HYPERLINK \l "_Toc117489490" 2.4.2 功能概述 36 HYPERLINK \l "_Toc117489491" 2.4.3 具体模块实现介绍 37 HYPERLINK \l "_Toc117489492" 2.5 Nachos中的网络系统管理 37 HYPERLINK \l "_Toc117489493" 2.5.1 相关知识点回顾 37 HYPERLINK \l "_Toc117489494" 2.5.2 现有功能分析 37 HYPERLINK \l "_Toc117489495" 2.5.3 具体模块实现介绍 38 HYPERLINK \l "_Toc117489496" 第三章 上机实践项目设置 40 HYPERLINK \l "_Toc117489497" 3.1 实践项目1：Nachos的线程管理模块升级 40 HYPERLINK \l "_Toc117489498" 3.1.1 上机实践具体要求 40 HYPERLINK \l "_Toc117489499" 3.1.2 实践的过程和步骤 41 HYPERLINK \l "_Toc117489500" 3.1.3 实践结果验证方式 41 HYPERLINK \l "_Toc117489501" 3.2 实践项目2：Nachos的文件管理模块升级 42 HYPERLINK \l "_Toc117489502" 3.2.1 上机实践具体要求 42 HYPERLINK \l "_Toc117489503" 3.2.2 实践的过程和步骤 43 HYPERLINK \l "_Toc117489504" 3.2.3 实践结果验证说明 43 HYPERLINK \l "_Toc117489505" 3.3 实践项目3：Nachos的内存管理模块升级 44 HYPERLINK \l "_Toc117489506" 3.3.1 上机实践具体要求 44 HYPERLINK \l "_Toc117489507" 3.3.2 实践的过程和步骤 44 HYPERLINK \l "_Toc117489508" 3.3.3 实践结果验证说明 45 HYPERLINK \l "_Toc117489509" 第四章 上机实践成功案例剖析 46 HYPERLINK \l "_Toc117489510" 4.1 成功案例1 46 HYPERLINK \l "_Toc117489511" 4.2 成功案例2 46 HYPERLINK \l "_Toc117489512" 4.3 基于本产品的其他应用 46 HYPERLINK \l "_Toc117489513" 第五章 附录 47 HYPERLINK \l "_Toc117489514" 5.1 Unix常用命令介绍 47 HYPERLINK \l "_Toc117489515" 5.1.1目录及文件操作命令 47 HYPERLINK \l "_Toc117489516" 5.1.2设备管理命令 49 HYPERLINK \l "_Toc117489517" 5.1.3系统及用户管理命令 49 HYPERLINK \l "_Toc117489518" 5.1.4 其他命令 50 HYPERLINK \l "_Toc117489519" 5.2 Nachos的系统调用介绍 50 HYPERLINK \l "_Toc117489520" 5.3 Nachos的核心源代码分析 51 试验环境介绍 引言 操作系统上机实践环节是操作系统课程的重要组成部分，对于理解操作系统课程中的相关理论和知识点有着非常重要的作用。为帮助学生更好的完成上机实践作业，特编写此基于Nachos平台的操作系统上机实践指南。 Nachos平台的功能特点简介 1.2.1 什么是Nachos Nachos的全称是“Not Another Completely Heuristic Operating System”，它是一个可修改和跟踪的操作系统教学软件。它给出了一个支持多线程和虚拟存储的操作系统骨架，可让学生在较短的时间内对操作系统中的基本原理和核心算法有一个全面和完整的了解。 1.2.2 Nachos的特点功能介绍 在本科的操作系统教学中，能够提供一个展示真实操作系统是如何工作的工程环境是很重要的，但同时也要求这个工程环境便于学生的理解和修改，所以我们采用Nachos作为操作系统课程的教学实践平台。Nachos是美国加州大学伯克莱分校在操作系统课程中已多次使用的操作系统课程设计平台，在美国很多大学中得到了应用，它在操作系统教学方面具有以下几个突出的优点： 采用通用虚拟机 Nachos是建立在一个软件模拟的虚拟机之上的，模拟了MIPS R2/3000的指令集、主存、中断系统、网络以及磁盘系统等操作系统所必须的硬件系统。许多现代操作系统大多是先在用软件模拟的硬件上建立并调试，最后才在真正的硬件上运行。用软件模拟硬件的可靠性比真实硬件高得多，不会因为硬件故障而导致系统出错，便于调试。虚拟机可以在运行时报告详尽的出错信息，更重要的是采用虚拟机使Nachos的移植变得非常容易，在不同机器上移植Nachos，只需对虚拟机部分作移植即可。 采用R2/3000指令集的原因是该指令集为RISC指令集，其指令数目比较少。Nachos虚拟机模拟了其中的63条指令。由于R2/3000指令集是一个比较常用的指令集，许多现有的编译器如gc++能够直接将C或C++源程序编译成该指令集的目标代码，于是就不必编写编译器，读者就可以直接用C/C++语言编写应用程序，使得在Nachos上开发大型的应用程序也成为可能。 使用并实现了操作系统中的一些新的概念 随着计算机技术和操作系统技术的不断发展，产生了很多新的概念。Nachos将这些新概念融入操作系统教学中，包括网络、线程和分布式应用。而且Nachos以线程作为一个基本概念讲述，取代了进程在以前操作系统教学中的地位。 Nachos的虚拟机使得网络的实现相当简单。与MINIX不同，Nachos只是一个在宿主机上运行的一个进程。在同一个宿主机上可以运行多个Nachos进程，各个进程可以相互通讯，作为一个全互连网络的一个节点；进程之间通过Socket进行通讯，模拟了一个全互连网络。 确定性调试比较方便，随机因素使系统运行更加真实 因为操作系统的不确定性，所以在一个实际的系统中进行多线程调试是比较困难的。由于Nachos是在宿主机上运行的进程，它提供了确定性调试的手段。所谓确定性调试，就是在同样的输入顺序、输入参数的情况下，Nachos运行的结果是完全一样的。在多线程调试中，可以将注意力集中在某一个实际问上，而不受操作系统不确定性的干扰。 另外，不确定性是操作系统所必须具有的特征，Nachos采用了随机因子模拟了真实操作系统的不确定性。 简单而易于扩展 Nachos是一个教学用操作系统平台，它必须简单而且有一定的扩展余地。Nachos不是向读者展示一个成功的操作系统，而是让读者在一个框架下发挥自己的创造性进行扩展。例如一个完整的类似于UNIX的文件系统是很复杂的，但是对于文件系统来说，无非是需要实现文件的逻辑地址到物理地址的映射以及实现文件inode、打开文件结构、线程打开文件表等重要的数据结构以及维护它们之间的关系。Nachos中具有所有这些内容，但是在很多方面作了一定的限制，比如只有一级索引结构限制了系统中最大文件的大小。读者可以应用学到的各种知识对文件系统进行扩展，逐步消除这些限制。Nachos在每一部分给出很多课程作业，作为读者进行系统扩展的提示和检查对系统扩展的结果。 面向对象性 Nachos的主体是用C++的一个子集来实现的。目前面向对象语言日渐流行，它能够清楚地描述操作系统各个部分的接口。Nachos没有用到面向对象语言的所有特征，如继承性、多态性等，所以它的代码就更容易阅读和理解。 Nachos共有五个功能模块，分别是机器模拟、线程管理、文件系统管理、用户程序和虚拟存储以及网络系统。它们的具体实现会在第二章中进行详细介绍。 Nachos平台的搭建与配置 Nachos试验环境文件列表 在我们的教学网站可以下载到搭建nachos试验平台的所有软件，下面就将搭建nachos试验环境所需的软件作一个简要的描述： code-linux.tar.gz： nachos的源代码压缩包，在linux下可以用gzip、tar解开，在windows下直接使用winrar就可解压开。压缩包解开后会生成两个子目录，一个目录是nachos的所有源代码，另一个目录是nachos的交叉编译工具。 emacs-21.3.tar.gz： emacs是linux下编辑、调试、调试nachos代码的集成环境，emacs-21.3.tar.gz包是emacs的源代码包，用于在linux系统中编译安装emacs。 .emacs： 我们制作的emacs的启动配置文件，它实现了f1－f12的功能键与emacs的命令的绑定，可以加速我们的编辑、编译、调试过程。使用这个文件时只要把它放在用户的home目录下就可以了（比如root用户的/root目录下）。 VMware-workstation-5.0.0-13124.exe： Vmware虚拟机软件的安装程序，运行它就可以在我们的Windows安装上vmware。Vmwar可以在一个物理机器上模拟出虚拟的硬件机器，进而我们就可以在这些虚拟的硬件机器上安装我们的操作系统了。（详细使用参见后面的试验环境搭建） VMware-mount-3.1.0-9089.exe： Vmware-mount是vmware的一个工具软件，它可以实现将vmware的硬盘文件挂载到windows系统下，作为windows系统的一个新硬盘。这样以来就方便了虚拟机和真实机器之间的数据传输。( 详细使用参见后面的试验环境搭建) sourceinsight35.zip： 这是一个在windows下进行nachos代码阅读的工具，使用他提供的一些功能可以加快代码的阅读速度。 Nachos试验环境搭建步骤 Nachos最初由美国加州大学伯克利分校为其操作系统课程的教学实习而开发。这个操作系统一开始就设计成只能在unix like 的操作系统下运行，并没有针对windows平台的移植。有鉴于国内教学实习中普遍使用windows平台，所以我们需要通过安装虚拟机软件，创建linux虚拟机来最终实现我们的nachos代码的编译运行。下面我们将通过几个步骤来具体的描述nachos试验环境的搭建。 Vmware的安装 Vmware是一个虚拟机软件，它可以在windows平台上虚拟出真实机器的硬件环境的，使得我们可以在不购买新机器的情况下就可以在一个机器上运行多个操作系统。 Vmware的安装和普通的windows应用程序安装没有太大的差别，是一个相当“傻瓜”的过程，只要按照提示，依次点击“下一步”就可顺利地完成vmware的安装了。 虚拟机的创建 这一步的主要任务就是要告诉vmware我们想要虚拟什么样的硬件机器。下面将以图示的方式一步步地讲解虚拟机的创建： 启动vmware程序点击如图1-1所示的菜单 图1-1 VMWare程序启动 或是点击home-tab上的new virtural machine（如图1-2）就可开始虚拟机的创建过程。 图1-2 VMWare程序启动（二） 在接下来的对话框中选择定制创建虚拟机点击下一步按钮（如图1-3） 图1-3 定制虚拟机 在接下来的虚拟机格式中选择系统默认的new-workstation5格式即可，这样我们可以获得一些好处比如可以抓图，但是也有一些坏处那就是创建的虚拟机文件不能在老版本的vmware上打开。 点击下一步后出现选择操作系统类型对话框，我们只要选择linux－redhat linux就行了。 点击下一步，弹出的对话框要求我们回答虚拟机名称和虚拟机文件安放的路径，只要根据自己的情况回答就行了。（如图1-4） 图 1-4 选择虚拟机名称和安放路径 点击下一步后弹出内存设定对话框，这个对话框是要回答vmware需要给我们的虚拟机器模拟多大的内存，在我们的实验环境中256M已经足够了。（如图1-5） 图1-5 虚拟机定制内存 点击下一步，就进入了网络选择对话框，在我们的试验环境中选择最后一项“不使用网络”就可以了。（如图1-6） 图1-6 虚拟机网络设置 点击下一步，进入选择I/O适配器类型，这一步不需要我们干预接受默认值，点击下一步就可以了。（如图1-7） 图1-7 网络适配器设置 接下来就进入了硬盘创建的步骤了，选择创建IDE的硬盘，系统就会弹出对话框，要求回答硬盘的大小，在我们的试验环境中有4G大小就足够了。（按图1-8，1-9，1-10） 图1-8 创建虚拟磁盘 图1-9 选择磁盘种类 图1-10 选择磁盘大小 点击下一步后，虚拟机的创建就到了最后一个步骤回答硬盘文件的名称，根据自己的情况回答这个名称点击完成，整个虚拟机的创建过程就结束了。（如图1-11） 图1-11 指定硬盘文件名称 虚拟机创建完成后vmware 的主窗口就会多出一个标签页，这页的内容正式我们所创建的虚拟机的信息。（如图1-12） 图1-12 新建虚拟机信息 点击标签页上的“start this virtual machine”就可以启动我们刚刚创建的虚拟机，但是由于我们只是让vmware帮我们模拟出了一个硬件机器，我们还没有向这个机器上安装任何软件，所以我们的机器运行后除了一些BIOS程序的输出外别的什么也没有，也什么都不能干，所以我们需要进行下一步，向虚拟机上安装OS和应用程序。 1.3.2.3 虚拟机上linux的安装 虚拟机创建好了，vmware只是按照我们的要求模拟出了一个硬件机器，到目前位置这个虚拟机上并没有安装任何软件，也不能做任何事情。这一步的目的就是要向虚拟的硬件机器上安装linux操作系统，进而安装其他应用程序。 在虚拟机上安装linux和在真实机器上由光驱安装linux是相同的过程。 首先需要把安装光盘放到光驱中，双击主界面上的CD-ROM，弹出如图1-13对话框： 图1-13 CD-ROM对话框 如果你有光驱，也有linux的安装光盘就可以选择“Use physical drive”；如果有linux的ISO映象，就需要选“Use ISO image”，并且指定好映像的位置。安装光盘设置好后我们就可以启动虚拟机器进行安装了。 机器正常从光驱启动就会出现如图1-14的画面： 图1-14 安装Linux启动画面 只有鼠标点击vmware的窗口之后，所有的鼠标和键盘输入才能定向到虚拟机 我们是新安装linux并且使用图形界面安装过程，所以这时我们只要敲“Enter”就可以开始安装过程了。 Ctrl+Alt是vmware的热键，如果想将鼠标从vmware的环境回到windows下，就可以使用这个热键；如果要从全屏方式回到窗口方式，也需要点击这个热键 安装过程其实是很简单的大多情况下只要点击“next”按钮就可以了，下面仅就比较关键的步骤进行一下描述： 图1-15 定制安装Linux 在上图1-15所使得步骤中，最好是选择定制安装，这样我们可以对安装过程进行控制，安装我们所需要的东西。 在接下来的步骤中我们将会遇到如下的画面，它让我们选择怎样的分区方式，我们只要按照如图所示选择系统自动分区就行了，系统自动分区的结果还是比较合理的。（如图1-16） 图1-16选择分区方式 接下来的若干步只要点击“next”就行了，其中有的步骤询问是否要删除磁盘上的数据这是只要回答“Yes”就行了，我们是新装操作系统，磁盘上没有什么有用的数据，也不用担心本机的数据会丢失，VMWare操作的只是它的磁盘文件的数据，不会对本机造成任何伤害。 当安装程序如下图所示要求我们回答root密码时我们就要按照自己的情况回答这个密码，但是一定要记住，因为这个密码是超级用户的密码，对于系统特别重要。（如图1-17） 接下来的几步仍然只需要“next”直到包的选择步骤：（如图1-18） 图1-17 设置超级用户密码 图1-18软件包的选择 我们只需要按照自己的需要选择自己所需要的包就可以了，包选择的多了最后的虚拟机磁盘的使用量就自然会大一些。 我们必须选择software development包，因为它会为我们安装编译调试工具，这是我们编译nachos系统所需要的 接下来的步骤就基本不用回答什么问题了只要一路“next”下去就行了。安装后虚拟机顺利重启，经过一个不太长的启动过程我们就可以看到登录界面，那么我们的安装过程就算是成功完成了。 虚拟机重启的时候不要忘记点击F2进入BIOS设置画面，将启动顺序变为从硬盘启动，这样我们启动的速度能加快一点 虚拟机和本机之间的数据传递 我们在虚拟的linux下编译调试我们的nachos，但是在交作业等情况下我们需要将虚拟机下的数据拿出来。这就需要我们首先将虚拟linux的数据传输到本机windows下；然后再从本机windows下将数据导出到可移动存储设备或是通过网络传输出去。 然而虚拟机是虚拟机软件模拟出的机器环境和本机系统相对隔离，他们之间的数据传递需要一些特殊的方法；虚拟机和本机的数据传递有很多种，大致分为三类： 通过网络进行数据传递 Vmware支持虚拟机的直接上网，就如同一个真实机器一样，虚拟机上了网我们就可以用ftp或是samba等方式进行数据交换了。但是这种方式需要独立的IP地址，在机房IP地址紧缺的情况下是不太适合的。 通过共享文件夹进行数据传递 这种方式就如同windows下两个机器之间共享文件夹一样，但是这种方法只适合虚拟的windows和本机windows之间进行数据交换。对于我们虚拟linux和本机windows之间的数据交换是不适合的。 通过硬盘文件进行数据传递 这种方式就是我们推荐使用的方式。它的原理是创建一个fat32格式的vmware文件，这个文件可以挂载到本机windows成为本机的一个新硬盘，也可以挂载到虚拟linux下成为虚拟linux下的一个目录，这样就可以实现数据的双向传输了。 下面将要具体描述一下这种方式的实现步骤： 创建vmware的新硬盘 创建vmware新硬盘时需要在虚拟机未启动时点击 ，然后在弹出的对话框中选择“Hard Disk”，然后点击add，回答一系列的问题后就添加成功了。这个过程中回答的问题和虚拟机创建过程中所遇到的关于硬盘的问题是一样的，所以在这里就不再详细说明了。 图1-19创建VMWare新硬盘 虚拟linux下分区、格式化为fat32格式 上一步为虚拟机创建了一个新硬盘，这好比为一个真正的物理机器购买了一个新硬盘一样，刚刚装到机器上是不能马上使用的还必须分区格式化。为了做到这一步，我们需要启动我们的虚拟机进入linux。 Linux启动用户登录后，首先需要分区，分区时的命令如下： fdisk /dev/hdb 进入fdisk方式在fdisk方式下按照提示敲入如下命令就可以实现正确的分区 n p 1 enter enter t 1 b w quit 按照顺序敲完命令后,我们的分区工作就完成了,他在新创建的硬盘上创建了一个fat32分区,下一步的任务就是将这个分区格式化,格式化时的命令为: mkdosfs –F 32 /dev/hdb1 到目前位置我们的fat32格式的硬盘分区就创建好了。 windows下的挂载/卸载 windows下挂载vmware硬盘文件需要安装一个名为vmware-mount的软件，我们的教学网站提供这个小软件的下载，同时互联网上也可以搜到这个软件的下载。软件的安装是很简单的点击setup就可以了。 挂载硬盘文件时需要在windows的命令提示符下输入如下的命令： vmware-mout g: fat32.vmdk 其中g：为盘符，如果硬盘文件挂载成功windows下就会多一个硬盘，硬盘的盘符就是我们这里指定的g：。 fat32.vmdk是我们所创建的硬盘文件的名称。 要卸载这个硬盘文件就输入如下的命令就可以了： vmware-mout g: -d 卸载时一定要观点和新生成的硬盘(我们例子中的g：)相关的窗口，否则卸载会失败 linux下的挂载/卸载 如果在linux下把它挂载到文件系统中就使用如下命令: mount /dev/hdb1 /mnt 运行这个命令后这个fat32分区就挂载到了/mnt下,如果要挂载到其他地方就将/mnt改成自己想要的路径就可以了。 想要卸载这个fat32分区就敲入如下命令： umount /mnt Linux下的命令和文件命是区分大小写的，在windows命令提示符下是不区分大小写的 emacs21.3的安装配置 emacs是我们在linux下开发、编译、调试nachos的主要集成环境。所以我们需要我们的emacs是最新最稳定的。我们在安装linux的时候可能已经安装了emacs但是那个版本的emacs不是最好的，我们教学网站提供的emacs下载是最新的21.3版本，同时同学们也可以到www.gnu.org网站随时关注版本的变化。 emacs的安装是一个典型的开放源代码的软件的安装过程，安装之前我们首先要通过上一步所讲的本机与虚拟机之间的数据交换方法将emacs-21.3.tar.gz文件传输到虚拟linux中。 emacs-21.3.tar.gz是一个eamcs源代码的压缩包，按照如下的命令来解压、编译、安装emacs21.3。 gzip –d emacs-21.3.tar.gz //解压缩 tar –xf emacs-21.3.tar //解包 cd emacs-21.3 //进入源代码子目录 ./configure //自动配置make脚本 make //编译链接 make install //安装 emacs安装完毕了，我们可以使用emacs –verison命令来看一看emacs版本是不是我们刚装上的21.3，如果是那么我们就安装成功了。 emacs安装成功后，要想使它用起来方便我们还需要根据个人情况进行定制，eamcs的定制是很复杂的，需要写elisp程序，网上也有专门的专著来描述emacs的定制。 我们为了大家教学实习的方便根据MS VC++的使用习惯对emacs进行了配置，大家只要把教学网站上的.emacs文件复制到自己的home（root的home目录就是/root）目录下就可以了。 我们的配置将f1－f12定义了快捷功能，具体功能如下表1-2所示： 功能键 功能 F1 分窗口方式下缩小窗口 F2 分窗口方式下不同窗格之间切换 F3 编译 F4 调试 F5 调试模式下的continue F6 将源代码注释掉 F7 将源代码注释回来 F8 返回上一个标签 F9 在源代码上设置断点 F10 调试模式下的next F11 调试模式下的step into F12 分窗口方式下的框格扩大 表1-2 emacs快捷键定义 Windows下代码阅读软件的安装 虽然在linux我们可以高效地完成所有开发所需的任务，但是对于刚刚开始接触unix/linux的同学，一下子用熟那么多的工具还是有些困难的。正是基于这一点我们的教学网站上也提供了在windows下用来阅读代码的工具Source Insight，借助于它我们可以加快代码阅读速度。 这个软件的安装是个很简单的过程只要运行setup一路next下去就可以了。 代码阅读时要先建工程，点击project－new project，然后按照要求回答源代码的位置，工程就会顺利的建成。代码阅读时如果需要一些功能比如想要查找某个符号的定义只要在选定的符号上点右键就会弹出菜单，选择相应的命令就可以了。 Nachos的功能模块组成结构 编译后的nachos在我们的linux操作系统中，只相当于一个普通的程序，运行起来就是一个普通的进程。另一方面它又是一个不普通的程序，他是完全按照操作系统思想而开发出的一个操作系统内核。它的结构就是一个完整的操作系统结构。下图标出了nachos操作系统的结构。 图1-20 nachos系统结构 Nachos的编译运行开发环境 nachos虽说是一个操作系统但是他在linux下运行，也就相当与linux的一个普通进程，所以nachos的编译、调试、运行和一般的linux程序的调试连接运行是没有什么两样的。下面我们就从编辑、编译、编辑、代码阅读等方面对linux下的程序开发环境做一下阐述： 程序编辑 在我们的环境下使用emacs进行程序的编辑。emacs是一个功能强大的集成环境关于它的使用网上有专门的著作来论述，但是我们只需要使用最基本的功能就可以了。如果我们只使用最基本的功能那么emacs和windows下的notepad使用方法差不多。 程序编译 在linux下的nachos代码是借助make工具来实现编译连接的。make工具是一个工程管理工具，make是根据Makefile的指示来完成所有工作的。Nachos的每个零部件的代码中都包含一个Makefie文件，所以我们在修改nachos代码后直接使用make命令就可以编译连接我们的程序了，而不再需要其他额外的工作。 程序调试 在linux下调试我们一般使用gdb作为调试工具。 gdb使用过程大致如下： 启动gdb: >gdb gdb启动后就进入了gdb的 使用file命令加载要调试的可执行程序：>file nachos 断点设置： >break main 在main上设置断点 程序运行一步：>next next命令不跟到函数里面去 程序跟进： >step step命令可以跟跟到函数里面去 显示变量的值： >print temp temp是变量命，这个命令将显示temp的值 显示源代码： >list 这个命令可以列出所调试程序的源代码 gdb是一个很强大的调试工具，这里我们只列出了我们平时用的几个简单的命令，更复杂的使用可以参照gdb的手册或是联机文档。 代码阅读 我们在代码阅读过程中常用的也是最重要的功能就是能够跳转到函数或变量的定义处，然后还能跳转回来继续原来的阅读流程。 我们在linux下阅读代码的主要工具是emacs，在emacs下实现代码的导航需要借助etags工具。Etags工具可以扫描所有的源代码，将每个变量、函数的定义位置等信息记录到数据库中，这样我们在阅读代码的时候就随时可以借助这个数据库中记录的信息找到想要的标识符。 标识符数据库创建： >find ./ --name *.h --or --name *.cc --or --name *.s | etags – 运行完这个命令后就会生成一个TAGS文件，这个文件就是我们的标识符数据库 在emacs环境中要想使用代码导航功能只需要运行Alt＋x visit-tags-table命令就可以了。 要想在程序阅读过程中跳转到某个标识符只要使用Alt＋.命令就可以了，想要跳回去使用alt＋*命令就可以了（如果使用了我们提供的.emacs文件，使f8可以实现相同的功能）。 Nachos平台技术实现说明 Nachos的机器模拟机制概述 Sysdep模块实现机制分析 本模块主要在文件sysdep.cc和sysdep.h中实现。 Nachos的运行环境可以是多种操作系统，由于每种操作系统所提供的系统调用或函数调用在形式和内容上可能有细微的差别。sysdep模块的作用是屏蔽掉这些差别。 下面就主要的函数功能进行一下说明： PoolFile 函数 语法： bool PoolFile (int fd) 参数： fd：文件描述符，也可以是一个套接字 (socket) 功能：测试一个打开文件fd是否有内容可以读，如果有则返回TRUE，否则返回FALSE。当Nachos系统处于IDLE状态时，测试过程有一个延时，也就是在一定时间范围内如果有内容可读的话，同样返回TRUE。 OpenForWrite 函数 语法： int OpenForWrite (char *name) 参数： name：文件名 功能：为写操作打开一个文件。如果该文件不存在，产生该文件；如果该文件已经存在，则将该文件原有的内容删除。 OpenForReadWrite 函数 语法： int OpenForReadWrite (char *name, bool crashOnError) 参数： name:：文件名；crashOnError: crash 标志 功能： 为读写操作打开一个文件。当 crashOnError 标志设置而文件不能读写打开时，系统出错退出。 Read 函数 语法： void Read (int fd, char *buffer, int nBytes) 参数： fd：打开文件描述符； buffer：读取内容的缓冲区； nBytes：需要读取的字节数 功能： 从一个打开文件fd 中读取nBytes 的内容到buffer 缓冲区。如果读取失败，系统退出。 注意：这和系统调用read 不完全一样。read 系统调用返回的是实际读出的字节数，而Read 函数则必须读出nBytes，否则系统将退出。如果需要使用同read 系统调用相对应的函数，请用ReadPartial。 ReadPartial 函数 语法： int ReadPartial (int fd, char *buffer, int nBytes) 参数： fd：打开文件描述符； buffer：读取内容的缓冲区； nBytes: 需要读取的最大字节数 功能： 从一个打开文件fd 中读取nBytes 的内容到buffer 缓冲区。 WriteFile 函数 语法： void WriteFile (int fd, char *buffer, int nBytes) 参数： fd：打开文件描述符； buffer：需要写的内容所在的缓冲区； nBytes: 需要写的内容最大字节数 功能： 将buffer 缓冲区中的内容写nBytes 到一个打开文件fd 中。 注意：这和系统调用write 不完全一样。write 系统调用返回的是实际写入的字节数，而WriteFile 函数则必须写入nBytes，否则系统将退出。 Lseek 函数 语法： void Lseek (int fd, int offset, int whence) 参数： fd：文件描述符； offset：偏移量； whence: 指针移动的起始点 功能： 移动一个打开文件的读写指针，含义同lseek 系统调用；出错则退出系统。 Tell 函数 语法： int Tell (int fd) 参数： fd：文件描述符 功能： 指出当前读写指针位置 Close 函数 语法： void Close (int fd) 参数： fd：文件描述符 功能： 关闭当前打开文件fd，如果出错则退出系统。 Unlink 函数 语法： bool Unlink (char *name) 参数： name：文件名 功能： 删除文件。 OpenSocket 函数 语法： int OpenSocket () 参数： 无 功能： 一个socket。 CloseSocket 函数 语法： void CloseSocket (int sockID) 参数： sockID：socket 标识 功能： 释放一个socket。 AssignNameToSocket 函数 语法： void AssignNameToSocket(char *socketName, int sockID) 参数： socketName：socket文件名；sockID：socket标识 功能： 将一个文件名和一个socket 标识联系起来，于是将一个SOCKET 文件同一个Nachos进程连接起来，使宿主机上该Nachos 进程成为一个网络节点。 DeAssignNameToSocket 函数 语法： void DeAssignNameToSocket(char *socketName) 参数： socketName:：socket 文件名 功能： 将一个文件名删除，实际上是和相应的socket 标识脱离关系。 PoolSocket 函数 语法： bool PoolSocket (int sockID) 参数： socketID：socket 标识 功能： 查询一个socket 是否有内容可以读取。 ReadFromSocket 函数 语法： void ReadFromSocket (int sockID, char *buffer, int packetSize) 参数： socketID：socket 标识； buffer：读取内容的暂存空间； packetSize：读取数据包的大小 功能： 从一个socket 标识中读取packetSize 大小的数据包，放在buffer 缓冲中。 SendToSocket 函数 语法： void SendToSocket (int sockID, char *buffer, int packetSize, char *toName) 参数： socketID：socket 标识；buffer：发送内容的暂存空间； packetSize：发送数据包的大小； toName：要接收数据包的Nachos 虚拟机模拟网络文件的文件名 功能： 向socket 标识中发送packetSize 大小的数据包。 CallOnUserAbort 函数 语法： void CallOnUserAbort (VoidNoArgFunctionPtr func) 参数： func：函数指针 功能： 设定一个函数，在用户强制退出系统时调用。 Delay 函数 语法： void Delay (int seconds) 参数： seconds：需要延迟的秒数 功能： 系统延迟一定的时间。 Abort 函数 语法： void Abort () 参数： 无 功能： 退出系统 (非正常退出)。 Exit 函数 语法： void Exit (int exitCode) 参数： exitCod：向系统的返回值 功能： 退出系统。 RandomInit 函数 语法： void RandomInit (unsigned seed) 参数： seed：随机数产生魔数 功能： 初始化随机数发生器。 Random 函数 语法： int RandomInit () 参数： 无 功能： 产生一个随机整数。 AllocBoundedArray 函数 语法： char * AllocBoundedArray (int size) 参数： size：需要申请的空间大小 功能： 申请一个受保护的存储空间。 DeallocBoundedArray 函数 语法： void DeallocBoundedArray (char *ptr, int size) 参数： ptr：要释放空间的指针；size：申请的空间大小 功能： 将受保护的存储空间释放。 中断处理模块实现机制分析 本模块主要在文件interrupt.cc和interrupt.h中实现。 中断模块的主要作用是模拟底层的中断机制。可以通过该模拟机制来启动和禁止中断 (SetLevel)；该中断机制模拟了Nachos系统需要处理的所有的中断，包括时钟中断、磁盘中断、终端读/终端写中断以及网络接收/网络发送中断。 中断的发生总是有一定的时间。比如当向硬盘发出读请求，硬盘处理请求完毕后会发生中断；在请求和处理完毕之间需要经过一定的时间。所以在该模块中模拟了时钟的前进。为了实现简单和便于统计各种活动所占用的时间起见，Nachos规定系统时间在以下三种情况下前进： 执行用户态指令 执行用户态指令，时钟前进是显而易见的。我们认为，Nachos执行每条指令所需时间是固定的，为一个时钟单位(Tick)。 重新打开中断 一般系统态在进行中断处理程序时，需要关中断。但是中断处理程序本身也需要消耗时间，而在关闭中断到重新打开中断之间无法非常准确地计算时间，所以当中断重新打开的时候，加上一个中断处理所需时间的平均值。 就绪队列中没有进程 当系统中没有就绪进程时，系统处于Idle状态。这种状态可能是系统中所有的进程都在等待各自的某种操作完成。也就是说，系统将在未来某个时间发生中断，到中断发生的时候中断处理程序将进行中断处理。在系统模拟中，有一个中断等待队列，专门存放将来发生的中断。在这种情况下，可以将系统时间直接跳到中断等待队列第一项所对应的时间，以免不必要的等待。 当前面两种情况需要时钟前进时，调用OneTick方法。OneTick方法将系统态和用户态的时间分开进行处理，这是因为用户态的时间计算是根据用户指令为单位的；而在系统态，没有办法进行指令的计算，所以将系统态的一次中断调用或其它需要进行时间计算的单位设置为一个固定值，假设为一条用户指令执行时间的10倍。 虽然Nachos模拟了中断的发生，但是毕竟不能与实际硬件一样，中断发生的时机可以是任意的。比如当系统中没有就绪进程时，时钟直接跳到未处理中断队列的第一项的时间。这实际情况下，系统处于Idel状态到中断等待队列第一项发生时间之间，完全有可能有其它中断发生。由于中断发生的时机不是完全随机的，所以在Nachos系统中运行的程序，不正确的同步程序也可能正常运行，我们在此需要密切注意。 Nachos线程运行有三种状态： Idle状态 系统CPU处于空闲状态，没有就绪线程可以运行。如果中断等待队列中有需要处理的除了时钟中断以外的中断，说明系统还没有结束，将时钟调整到发生中断的时间，进行中断处理；否则认为系统结束所有的工作，退出。 系统态 Nachos执行系统程序。Nachos虽然模拟了虚拟机的内存，但是Nachos系统程序本身的运行不是在该模拟内存中，而是利用宿主机的存储资源。这是Nachos操作系统同真正操作系统的重要区别。 用户态 系统执行用户程序。当执行用户程序时，每条指令占用空间是Nachos的模拟内存。 Nachos需要处理的中断种类主要有： TimerInt：时钟中断 DiskInt：磁盘（读/写）中断 ConsoleWriteInt：终端写中断 ConsoleReadInt：终端读终端 NetworkSentInt：网络发送中断 NetworkRecvInt：网络接收中断 中断等待队列是Nachos虚拟机最重要的数据结构之一，它记录了当前虚拟机可以预测的将在未来发生的所有中断。当系统进行了某种操作可能引起未来发生的中断时，如磁盘的写入、向网络写入数据等都会将中断插入到中断等待队列中；对于一些定期需要发生的中断，如时钟中断、终端读取中断等，系统会在中断处理后将下一次要发生的中断插入到中断等待队列中。中断的插入过程是一个优先队列的插入过程，其优先级是中断发生的时间，也就是说，先发生的中断将优先得到处理。 当时钟前进或者系统处于Idle状态时，Nachos会判断中断等待队列中是否有要发生的中断，如果有中断需要发生，则将该中断从中断等待队列中删除，调用相应的中断处理程序进行处理。 中断处理程序是在某种特定的中断发生时被调用，中断处理程序的作用包括可以在现有的模拟硬件的基础上建立更高层次的抽象。比如现有的模拟网络是有丢失帧的不安全网络，在中断处理程序中可以加入请求重发机制来实现一个安全网络。 在该部分模块中比较重要的两个类是PendingInterrupt类和Interrupt类，具体实现可以参考interrupt.cc和interrupt.h文件。 时钟中断模块实现机制分析 本模块主要在文件timer.cc和timer.h中实现。 该模块的作用是模拟时钟中断。Nacho虚拟机可以如同实际的硬件一样，每隔一定的时间会发生一次时钟中断。这是一个可选项，目前Nachos还没有充分发挥时钟中断的作用，只有在Nachos指定线程随机切换时启动时钟中断，在每次的时钟中断处理的最后，加入了线程的切换。实际上，时钟中断在线程管理中的作用远不止这些，时钟中断还可以用作： 线程管理中的时间片轮转法的时钟控制，不一定每次时钟中断都会引起线程的切换，而是由该线程是否的时间片是否已经用完来决定； 分时系统线程优先级的计算； 线程进入睡眠状态时的时间计算，可以通过时钟中断机制来实现sleep系统调用，在时钟中断处理程序中，每隔一定的时间对定时睡眠线程的时间进行一次评估，判断是否需要唤醒它们。 Nachos利用其模拟的中断机制来模拟时钟中断。时钟中断间隔由TimerTicks宏决定（100倍Tick的时间）。在系统模拟时有一个缺陷，如果系统就绪进程不止一个的话，每次时钟中断都一定会发生进程的切换（可参考system.cc文件中TimerInterruptHandler函数）。所以运行Nachos时，如果以同样的方式提交进程，系统的结果将是一样的。这不符合操作系统的运行不确定性的特性。所以在模拟时钟中断的时候，加入了一个随机因子，如果该因子设置的话，时钟中断发生的时机将在一定范围内是随机的。这样有些用户程序在同步方面的错误就比较容易发现。但是这样的时钟中断和真正操作系统中的时钟中断将有不同的含义。不能像真正的操作系统那样通过时钟中断来计算时间等等。是否需要随机时钟中断可以通过设置选项(-rs)来实现。 终端设备模块实现机制分析 本模块主要在文件console.cc和console.h中实现。 该模块的作用是模拟实现终端的输入和输出。包括两个部分，即键盘的输入和显示输出。终端输入输出的模拟是异步的，也就是说当发出终端的输入输出请求后系统即返回，需要等待中断发生后才是真正完成了整个过程。 Nachos 的终端模拟借助了Console 类中的两个成员函数readFile 和writeFile。这两个文件分别模拟键盘输入和屏幕显示。当readFile 为NULL 时，Nachos 以输入作为终端输入；当writeFile 为NULL 时，Nachos 以标准输出作为终端输出。 两个成员函数ConsoleReadPoll 以及ConsoleWriteDone 的作用同Timer 模拟中的TimerHandler成员函数。Nachos 需要以一定的时间间隔检查终端是否有字符供读取；当然在这些中断处理程序中，还包括了一些统计的工作。 系统的终端操作有严格的工作顺序，对读终端来说： CheckCharAvail -> GetChar -> CheckCharAvail -> GetChar ->... 系统通过定期的读终端中断来判断终端是否有内容供读取，如果有则读出；如果没有，下一次读终端中断继续判断。读出的内容将一直保留到GetChar 将其读走。 对写终端来说： PutChar -> WriteDone -> PutChar -> WriteDone -> ... 系统发出一个写终端命令PutChar，模拟系统将直接向终端输出文件写入要写的内容，但是对Nachos 来说，整个写的过程并没有结束，只有当写终端中断来到后整个写过程才算结束。 磁盘设备模块实现机制分析 本模块主要在文件文件disk.cc和disk.h中实现。 磁盘设备模拟了一个物理磁盘。Nachos用宿主机中的一个文件来模拟一个单面物理磁盘，该磁盘由道组成，每个道由扇区组成，而每个扇区的大小是固定的。和实际的物理磁盘一样，Nachos以扇区为物理读取/写入的最小单位，每个扇区有唯一的扇区地址，具体的计算方法是： track * SectorsPerTrack + offset 该物理磁盘是一个异步的物理磁盘，同终端设备和网络设备一样，当系统发出读磁盘的请求，立即返回，只有具体的磁盘终端到来的时候，整个过程才算结束。 Nachos对物理磁盘的模拟和对网络、终端等的模拟非常类似，所采用的手段也很类似。这里就不详细叙述，需要说明的有以下几点： 和其它的模拟不同的是，每次磁盘请求到磁盘中断发生之间的时间间隔是不一样的，这取决于两次磁盘访问磁道和扇区的距离。 为了和实际情况更加接近，Nachos的物理磁盘设置有trackbuffer高速缓冲区。其中存放的是最后一次访问的磁道中的所有内容。这样如果相邻的两次磁盘读访问是同一个磁道，可以直接从trackbuffer中读取扇区的内容，而不必要进行真正的磁盘读访问，当然写磁盘则多了向trackbuffer写入的步骤。 磁盘模拟文件开头四个字节的值为MagicNumber，其作用是为了不让Nachos磁盘模拟文件同其它文件混淆。 对于操作系统的实现来说，这部分内容并不是很重要。但是当我们认识到对于磁盘的访问会影响到系统的效率时，可能会重新设计文件系统，让系统不要在磁头的移动中无谓地浪费时间。比如在有些文件系统的设计中