GeekOS操作系统的研究与实现.doc

目 录一 实验目的- 3二 项目的设计要求-3三 开发环境的建立-3四 项目设计原理-5五 项目设计的具体实现-6六 系统编译运行的原理及结果-8七 遇到的问题及解决方法-10八 课程设计总结-11一 实验目的实践出真知！这是马克思的至理名言。经过一个学期的操作系统理论学习，我们基本上掌握了操作系统的理论基础知识，但是，操作系统课程的内容不仅仅涉及理论、算法，更重要的是用技术去实现算法并对其加以实现和应用。 此次课程设计，通过搭建Linux实验平台，对专门为操作系统课程教学而设计的操作系统GeekOS的项目代码的补充和完善，从浅到深，由表面到内涵地去理解操作系统的设计思想，理解操作系统内核工作的基本原理。在完成项目的过程中，通过动手操作，使得我们能够在动手查阅资料、思考排难等探索性活动中进一步理解操作系统的抽象概念，并进一步理解操作系统复杂的结构和工作原理。 具体的来说，对于项目0，应该熟悉GeekOS的项目编译，调试和运行环境，掌握GeekOS的运行工作过程，对于项目1，应该熟悉ELF文件格式，了解GeekSO系统如何将ELF格式的用户可执行程序装入到内存，建立内核进程并运行的实现技术。二 项目的设计要求1 Project0项目设计要求：(1) 搭建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：接受键盘输入的字符并显示在屏幕上，当按ctrl+D时，结束进程的运行。2 Project1项目设计要求：(1) 修改/GeekOS/elf.c文件：在函数Parse_ELF_Executable()中添加代码，分析ELF格式的可执行文件（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在核心态运行用户程序的原理，为Project2的实现做准备三 开发环境的建立1 在虚拟机上安装Linux操作系统GeekOS是一个基于X86架构的PC机上运行的微操作系统内核，内核简单却又兼备实用性，是一个用C语言开发的操作系统，可以运行在真正的X86PC硬件平台。每个项目需要在Linux环或者UNIX环境下对其进行功能扩充。Ubuntu 是一个由社区开发的基于linux的操作系统，其包含了我们一般所需的所有程序：无论是文字处理和电子邮件，还是 Web 服务和编程工具。所以选择其作为Linux系统进行安装。首先先安装VMware workstation，运行Vmware，新建一个虚拟机，以便安装Linux系统。然后在虚拟机上安装Ubuntu系统。系统安装的时候会默认安装了GCC，所以后面不必再重新安装GCC。2 安装c/c+编译环境（1）修改使用国内镜像更新源。在命令行终端中输入sudo gedit /etc/apt/sources.list，打开“文本编辑器编辑源列表”。在最后一行添加下列国内镜像更新源：deb-src /Ubuntu/ jaunty-updates main multiverse restricted universe 保存，即可。（2）终端中输入sudo apt-get update 重新获取软件包列表。（3）在终端输入 sudo apt-get intall build-essential 下载安装 build-essential包。（4）安装NASM在终端执行udo apt-get install nasm，（5）安装Bochs：在终端执行 sudo apt-get install bochs在终端执行 sudo apt-get install bochs-x（6）编译GeekOS1.进入geekos-0.3.0/src/project0/build目录执行 make depend执行 make成功之后在build 目录下生成fd.img文件。（7）修改Makefile1) 搜索到“-werror”，进行注释或者删掉。2) 搜索到“TARGET_CC :=$(TARGET-CC-PREFIX)gcc”在后面添加“-fno-stack-peotector”,保存。（8）1.编辑boches配置文件 输入 gedit .bochsrc在打开的.bochsrc配置文件中修改模拟器的BIOS和显示系统的BIOS文件的路径：romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latestvgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin保存，退出 gedit（8）在Bochs中运行GeekOS在build目录中执行“bochs ”命令，即可看见“Welcome to GeekOS!”的绿色标语等信息。此时，说明GeekOS启动运行成功。四 项目设计原理对于项目0：1 利用bochs模拟计算机执行一个操作系统软件。其中BIOS-bochs-lastest文件模拟bochs硬件的BIOS。VGABIOS-lgpl-lastest文件模拟bochs显示系统的BIOS。bochsrc.txt描述模拟器硬件配置的配置。2 利用GeekOS提供的键盘处理函数keyboard.h与keyboard.c等进行键盘常用功能的模拟。其中，在keyboard.c里面提供了一个功用函数Keycode Wait_For_Key(void),循环等待一个键盘事件,然后返回一个16位的数据 Keycode型的, 在keyboard.h里定义了所有的键盘代码。Read_Key(Keycode* keycode)函数可以处理队列键盘按键,可以保存到队列中并输出。另外，需要重点关Start_Kernel_Thread函数。函数的参数startFunc是一个Thread_Start_Func类型的函数指针，其定义在kthread.h中：Typedef void (*Thread_Start_Func) (ulong_t,arg);该函数指针指向一个无返回值，参数为ulong_t类型的函数。函数的功能是以参数Start_Func指向的代码为进程体生成一个内核进程。再有，对于Read_Key()函数，其定义为：bool Read_Key(Keycode *keycode);作用是轮查键盘事，如果捕获到键盘事件，则返回true，并且将按键码保存到参数 keycode地址中。对于项目1： 该项目要完成对用户进程的支持。实现Destroy_User_Context()，Load_User_Programe(),Copy_From_User(),Copy_To_User(),Spawn(),Switch_To_Address_Space()，Start_User_Thread(),Setup_User_Thread()等函数的功能，完成用户上下文的创建、删除，用户堆栈初始化等。可执行文件是通过源程序被编译成目标文件，多给目标文件连接生成的，然后被加载到内存运行。可执行文件包含一些基本的要素代码、数据、重定位信息和符合信息。以及一些可选辅助信息，如调试信息、硬件信息等。因此，通过分析可执行文件的信息，然后为其分配内存并载入建立内核线程，供系统调度运行。五 项目设计的具体实现1 Project0项目的具体实现根据实验原理，可以知道项目0的实现主要分为两个步骤完成（主要工作都在项目0的/src/geekos/main.c中完成）(1) 编写一个函数，在/src/geekos/main.c中添加进去。函数的功能是：接收键盘输入的按键，并将键值显示到显示器的函数，当输入Ctrl+D就退出。函数代码如下：void Project0() Print(To Exit hit Ctrl + d.n); Keycode keycode; while(1) if( Read_Key(&keycode) ) if(!( (keycode & KEY_SPECIAL_FLAG) | (keycode & KEY_RELEASE_FLAG) ) int asciiCode = keycode & 0xff; if( (keycode & KEY_CTRL_FLAG)=KEY_CTRL_FLAG & asciiCode=d) Print(n-SEE YOU !-n); Exit(1); else Print(%c,(asciiCode=r) ? n : asciiCode); (2) 首先注释Main()函数中TODO宏，并调用Start_Kernel_Thread函数，将步骤1编写的函数地址传递给参数，建立一个内核级进程 struct Kernel_Thread *thread; thread = Start_Kernel_Thread(&project0,0,PRIORITY_NORMAL,false);(3) 保存main()函数。2 Project1项目的具体实现1 完成配置文件的修改config_interface: textconfigromimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latestmegs: 8vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.binfloppya: 1_44=./fd.img, status=insertedata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14ata1: enabled=0, ioaddr1=0x170, ioaddr2=0x370, irq=15ata0-master: type=disk, path=diskc.img, mode=flat, cylinders=40, heads=8, spt=64boot: alog:./bochs.outvga_update_interval: 300000keyboard_serial_delay: 250keyboard_paste_delay: 100000private_colormap: enabled=02 完成makefile文件的修改，步骤同Project0。3 完成/geekos/elf.C中函数Parse_ELF_Executable()。int Parse_ELF_Executable(char *exeFileData,ulong_t exeFileLength, struct Exe_Format *exeFormat) int i; elfHeader *head=(elfHeader*)exeFileData; programHeader *proHeader=(programHeader*)(exeFileData+head-phoff); KASSERT(exeFileData!=NULL); KASSERT(exeFileLengthhead-ehsize+head-phentsize*head-phnum) KASSERT(head-entry%4=0); exeFormat-numSegments=head-phnum; exeFormat-entryAddr=head-entry; for(i=0;iphnum;i+) exeFormat-segmentListi.offsetInFile=proHeader-offset; exeFormat-segmentListi.lengthInFile=proHeader-fileSize; exeFormat-segmentListi.startAddress=proHeader-vaddr; exeFormat-segmentListi.sizeInMemory=proHeader-memSize; exeFormat-segmentLtFlags=proHeader-flags; proHeader+; return 0; 六 系统编译运行的原理及结果1 Project0运行结果：(1) 修改main()函数以后，重新生成镜像文件。在终端，Build目录下:输入以下命令$ make clear$ make depend$ make 此时geekos-0.3.0srcproject0build生成镜像文件fd.img。(4) 启动bochs在终端，Build目录下:输入以下命令$ bochs即可看见如下的Geekos界面。（5）按下ctrl+d键，此时出现如下的界面。原理：系统正常运行，调度第一个内核级进程，完成键盘输入并在回车后输出敲击键盘次数。Ctrl+d退出程序。2 Project1运行结果Project1运行结果：原理：系统启动完成，创建一个内核级进程，执行一个EXE程序。具体过如下：首先将指定的文件读入内存缓冲区，并且调用函数对文件格式进行分析。分析完成就把可执行程序的程序段和数据段装入内存，开始执行。在项目1的./src/user目录先有一个a.c文件，编译Geekos后，即是make后，可以获得可执行程序a.exe，并写入PFAT文件系统，路径为/c/a.exe、项目将此作为袋装入的可执行文件，启动bochs就可看到以上的内容，说明，项目1完成。七 遇到的问题及解决方法1 bochsrc配置文件出错刚开始仅仅只是修改了.bochsrc配置文件中模拟器的BIOS和显示系统的BIOS文件的路径：romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latestvgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin真正执行的时候，发现多了提示出错。后来发现是没有必要留下以下配置内容，把它们一一注释掉就可以了。对于 project1遇到同样的 问题也一样进行解决。2 修改了mai