《操作系统实习课程》PPT课件.ppt

操作系统实习课程,北京大学信息学院计算机科学技术系2002级 2004-2005第二学期,授课教师,主讲教师： 陈向群 辅导教师： 李健 徐冬 陈国辉 马世雄 地点：电教114 网址：,课程形式,实习 实现基于x86体系结构的一个操作系统 课堂讲授 课堂汇报（presentation）与课堂讨论 实习报告,课程目标,通过设计和实现一个小型操作系统，掌握操作系统基本原理和软件工程知识，以及操作系统设计的新思想 在理解操作系统原理的基础上，掌握操作系统的实现方法 深入理解操作系统中的重要概念和实现方法 虚拟内存、内核和用户态、系统调用、线程、上下文切换、中断，进程间通信、并发和互斥、软硬件之间的接口等等 深入理解x86体系结构 获得构造复杂系统的实践经验,课程介绍,在提供的代码框架下，实现你自己的基于x86 PC机的小型OS OS虽然不大，但是麻雀虽小，五脏俱全 例如：小巧的boot loader，类似exokernel的设计先进的内核，一个shell（让你可以方便的使用所编写的系统） 6个循序渐进的实验，从系统的启动开始，由浅入深地带领你完成自己的第一个操作系统,实验1：PC启动和调用规范 通过PC启动的实验，掌握x86 PC机的启动过程，理解链接地址、加载地址和重定位的概念，学习如何编写位置无关代码 通过实现setjmp和longjmp两个函数，掌握GCC的调用规范和x86的堆栈结构 实验2：内存管理 完成虚拟内存和物理内存的管理 给定虚拟内存的布局规范，要求建立两级页表来满足该布局规范，并理解如何对虚拟地址空间进行管理 维护数据结构来记录每个物理页的分配情况和共享情况，掌握在支持页式虚拟内存的情况下，如何对x86 PC机的物理内存进行管理,实习介绍,实习介绍（续1）,实验3：进程管理 通过设置进程控制块和编写进程创建、进程中止和进程调度程序，理解如何对进程进行管理 通过设置中断描述符标IDT，编写通用中断派发程序和时钟中断例程，理解如何管理中断,实习介绍（续2）,实验4：系统调用，IPC，页故障处理和fork 在IDT中增加系统调用入口，编写系统调用派发程序，掌握系统调用的实现方法，理解系统调用的处理流程 实现简单的能传递一个32位整数值的IPC 编写用户级的页故障处理程序 编写用户级的fork函数，理解子进程如何继承父进程的资源,实验5：文件系统和Spawn函数 通过实现一个简单的基于磁盘的微内核方式的文件系统，掌握文件系统的实现方法和层次结构 Spawn函数与Unix的exec功能类似，该函数把磁盘上的可执行文件读入内存执行，既可测试文件系统，又可以理解程序的加载执行全过程，具体了解一个程序的虚拟空间的具体划分和用途,实习介绍（续3）,实验6：Shell 实现具有管道，重定向功能的shell，能够执行一些简单的基本命令，如cat，sh，ls，echo等 该实习由多个同学共同完成，可以根据实际情况对shell的功能进行扩展，通过该实习，可以培养团队合作精神和创新精神 其他扩展功能,实习介绍（续4）,成绩评定,评分分布 实验报告文档： 7% * 6次 实验代码评定： 7% * 6次 课堂讨论： 16% 实验报告评分原则 按时提交实验报告、报告形式符合规范要求 报告内容充实、有自己的见解等 课堂表现评分原则 课堂是否积极参与提问，回答问题正确，汇报或演示表达清楚等,报告提交格式,提交：实习报告，源程序 注意：如果没有提交源程序或者将源程序附在实习报告中的，请重新提交源程序 实习报告文件名规范 学号-姓名-主题 举例：00208001-李名-实验1报告 源程序名字书写规范 学号-姓名-主题 举例：00208001-李名-实验1源程序 实习报告内容要求 本次实验的要求 本次实验自己所作的工作 实验过程中所遇到的问题以及解答 个人体会（可选）,实验环境及工具,一台X86 PC机 较新的Linux操作系统，例如Red Hat Linux 9.0 实验需在Linux环境下完成 GNU工具链 目标机模拟器的bochs,实验1（Lab1） PC启动和GCC调用规范 实习内容和要求,Lab 1 资料清单,背景知识：x86 and PC architecture.pdf IA32的官方资料： System Programming Guide.pdf Instruction Set Reference.pdf Basic Architecture.pdf 汇编语言： PC Assembly Language.pdf 80x86汇编语言程序设计教程 杨秀文等编著 清华大学出版社 10.1 实验1 lab1.pdf 电子书： Linux内核0.11完全注释 Linux内核源代码情景分析(上),Lab 1 资料阅读要求,x86 and PC architecture.pdf 了解背景知识 Linux内核0.11完全注释 阅读2.10节 Linux/Makefile文件 参考阅读14.2-14.4节 bochs介绍、磁盘映像文件制作 Linux内核源代码情景分析 阅读1.5节 了解AT&T汇编 资料下载： 更多资料的可以到MIT 的开放课程网站下载 /OcwWeb/index.htm,PC启动,主要实习过程 建立bochs实验环境 根据ex1.S生成bochs的磁盘映像ex1.disk，启动bochs，查看bochs的信息，理解PC机加电启动后如何从BIOS跳到内存执行 修改ex2.S程序的链接地址，根据ex2.S生成bochs的磁盘映象ex2.disk，启动bochs，查看bochs的信息，理解链接地址和加载地址的含义和它们之间的关系 根据ex3.S生成bochs的磁盘映象ex3.disk，启动bochs，查看bochs的信息，了解堆栈的结构,PC启动（续）,阅读boot.S和boot.c的源代码，理解boot loader的原理和实现方法 生成bochs的磁盘映象k2.disk，修改boot.c，使得系统能够正常启动，学会如何编写位置无关代码,GCC调用规范,主要实习过程 实现int setjmp(jmp_buf env)函数 setjmp将堆栈环境保存在env中供longjmp使用 实现void longjmp(jmp_buf env, int)函数 函数longjmp恢复最后一次setjmp调用时保存的堆栈环境，程序继续执行，看起来就如同setjmp刚执行完，并返回val 运行setjmp-example.c程序，查看执行结果是否正确 通过实现这两个函数，掌握GCC的调用规范和x86的堆栈结构,具体要求,阅读有关资料 独立完成，提交源程序和实习报告 截止日期：2005-03-06 实习报告需回答lab1.pdf中提出的所有问题 第二周课程 进行Lab 1的汇报讨论和检查 布置Lab 2 第三周课程 Lab 1和Lab2的汇报讨论和检查,Bochs安装及使用,Bochs安装环境,安装Linux操作系统 Linux 2.4以上内核 图形界面 采用默认的安装选项 用root管理员登录Linux 新建一个目录，在该目录下完成Bochs安装过程,Bochs源码下载, 使用浏览器直接登录页面下载源码 将源码bochs-2.1.1.tar.gz放到安装目录下,解压缩Bochs源码,键入命令 tar xzf bochs-2.1.1.tar.gz 将产生一个bochs-2.1.1目录 进入该目录,解压缩Bochs源码（图示）,配置Bochs,键入命令 ./configure -enable-disas -enable-debugger -disable-config-interface -with-nogui -enable-disas 使得Bochs可以反汇编机器指令，disas是disassemble的缩写 -enable-debugger使得用户可以使用Bochs自带的调试器进行调试 -disable-config-interface使得Bochs启动时不显示配置菜单 -with-nogui使得Bochs直接输出到终端，而不会新建一个图形窗口,配置Bochs（图示）,编译Bochs源码,键入命令 make 系统将在Bochs安装目录下编