nachos-Lab6实习报告

1、系统调用实习报告目录内容一：总体概述3内容二：任务完成情况3任务完成列表（Y/N）3具体Exercise的完成情况3内容三：遇到的困难以及解决方法16内容四：收获及感想16内容五：对课程的意见和建议16内容六：参考文献16内容一：总体概述 本次lab的主要内容是实现nachos定义的系统调用。理论方面，我们需要了解nachos系统调用的实现原理，实践方面，我们需要实现文进系统相关系统调用和用户程序相关系统调用，并且编写用户程序验证相关系统调用的正确性。内容二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5YYYYY具

2、体Exercise的完成情况一、理解Nachos系统调用Exercise 1 源代码阅读 阅读与系统调用相关的源代码，理解系统调用的实现原理。 code/userprog/syscall.h code/userprog/exception.cccode/test/start.suserprog/syscall.h定义nachos的系统调用,主要包括系统调用号和系统调用函数，内核通过识别用户程序传递的系统调用号确定系统调用类型已经实现的系统调用包括void Halt(); 关闭nachos虚拟机，打印性能统计信息需要实现的系统调用包括：3种系统调用涉及地址空间：1)、void Exit(int

3、status);用户程序完成，status = 0表示正常退出2)、SpaceId Exec(char *name);加载并执行名字是name的Nachos可执行文件，返回其地址空间的标志符SpaceId实际是整型，标识地址空间3)、int Join(SpaceId id); 等待标志符为id的用户线程运行完毕，返回其退出状态5种系统调用涉及文件系统：1)、void Create(char *name);创建文件名name的Nachos文件2) 、OpenFileId Open(char *name);打开文件名name的Nachos文件，返回打开文件标志符OpenFileId实际是整形，标识

4、打开文件3)、void Write(char *buffer, int size, OpenFileId id);向标志符是id的文件写入buffer中长度为size字节的数据4)、int Read(char *buffer, int size, OpenFileId id);从标志符是id的文件读取长度为size字节的数据存入buffer，返回实际读取的字节数5)、void Close(OpenFileId id);关闭标志符是id的文件2种系统调用涉及用户级线程，用于支持多线程用户程序：1)、void Fork(void (*func)();创建和当前线程拥有相同地址空间的线程，运行fun

5、c指针指向的函数2)、void Yield();当前线程让出CPUcode/userprog/exception.cc定义进行异常处理的ExceptionHandler函数，主要流程是根据异常信息处理不同异常，包括系统调用目前支持的异常: NoException, / 正常 SyscallException, / 系统调用PageFaultException, / 缺页（页表/快表）ReadOnlyException, / 访问只读页面 BusErrorException, / 总线错误AddressErrorException, / 访问地址对齐错误/超出范围 OverflowExcepti

6、on, / 算数溢出 IllegalInstrException, / 非法指令 NumExceptionTypes处理系统调用时，需要从2号寄存器获得系统调用号确定系统调用类型code/test/start.s是辅助用户程序运行的汇编代码，主要包括初始化用户程序和系统调用相关操作（1）初始化用户程序：通过调用main函数运行用户程序.globl _start.ent_start_start:jalmain /跳转到main函数执行用户程序move$4,$0 /main函数返回 /r4寄存器存入0，作为下面调用Exit参数jalExit .end _start（2）系统调用：用户程序执行系统调

7、用时，将系统调用号存入r2寄存器，然后跳转到exception.cc执行，例如系统调用Halt：Halt: addiu $2,$0,SC_Halt/将系统调用号存入r2寄存器syscallj$31.end Halt系统调用相关寄存器：r2-系统调用号，系统调用返回值r4-系统调用参数1r5-系统调用参数2r6-系统调用参数3r7-系统调用参数4系统调用主要流程：machine的Run函数运行用户程序，实现在machine/mipssim.cc，基本流程是通过OneInstruction函数完成指令译码和执行，通过interrupt的OneTick函数使得时钟前进（1） OneInstructi

8、on函数判断当前指令是系统调用，转入start.s（2） 通过start.s确定系统调用入口，通过寄存器r2传递系统调用号，转入exception.cc（此时系统调用参数位于相应寄存器）（3） exception.cc通过系统调用号识别系统调用，进行相关处理，如果系统调用存在返回值，那么通过寄存器r2传递，流程结束时，需要更新PC（4） 系统调用结束，程序继续执行添加系统调用：（1） syscall.h定义系统调用接口、系统调用号（2）code/test/start.s添加链接代码（3）exception.cc添加系统调用处理过程二、文件系统相关的系统调用Exercise 2 系统调用实现类比

9、Halt的实现，完成与文件系统相关的系统调用：Create, Open，Close，Write，Read。Syscall.h文件中有这些系统调用基本说明。基本思路：修改userprog/exception.cc，按照userprog/syscall.h的定义实现系统调用系统调用Create定义void Create(char *name);系统调用Create基本流程（1） 通过寄存器r4获得文件名指针（2） 使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名（3） 通过已经实现的Create函数创建文件（4） 通过函数PC_advance更新PC系统调用Open定义OpenFileId

10、Open(char *name);系统调用Open基本流程（1）通过寄存器r4获得文件名指针（2）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名（3）通过已经实现的Open函数打开文件（4）返回值（打开文件数据结构）写入寄存器r2（5）通过函数PC_advance更新PC系统调用Close定义void Close(OpenFileId id);系统调用Close基本流程（1） 通过寄存器r4获得打开文件数据结构（2） 通过打开文件数据结构析构函数关闭文件（3） 通过函数PC_advance更新PC系统调用Read定义int Read(char *buffer, int size, Op

11、enFileId id);系统调用Read基本流程（1） 通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获得打开文件数据结构（2） 通过已经实现的Read函数读取文件相关内容，记录实际读出字节数（3） 通过已经实现的WriteMem函数将文件内容写入缓冲区（4） 返回值(实际读出字节数)写入寄存器r2（5） 通过函数PC_advance更新PC系统调用Write定义void Write(char *buffer, int size, OpenFileId id);系统调用Write基本流程（1）通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获

12、得打开文件数据结构（2）通过已经实现的ReadMem函数获得缓冲区数据（3）通过已经实现的Write函数将缓冲区内容写入文件（4）通过函数PC_advance更新PCExercise 3 编写用户程序编写并运行用户程序，调用练习2中所写系统调用，测试其正确性。用户程序基本思路创建文件write.txt（系统调用Create）打开文件read.txt（已经存在，内容hello_world）(系统调用Open)打开文件write.txt（系统调用Open）读入文件read.txt内容，记录读入字节数（系统调用Read）内容写入文件write.txt（系统调用Write）关闭文件read.txt(系

13、统调用Close)关闭文件write.txt(系统调用Close)用户程序的添加修改test/MakeFileall: halt shell matmult sort test1test1.o: test1.c$(CC) $(CFLAGS) -c test1.ctest1: test1.o start.o$(LD) $(LDFLAGS) start.o test1.o -o test1.coff./bin/coff2noff test1.coff test1用户程序的执行检查userprog文件夹，出现文件write.txt可以发现，相关内容顺利写入，符合实际三、执行用户程序相关的系统调用Ex

14、ercise 4 系统调用实现实现如下系统调用：Exec，Fork，Yield，Join，Exit。Syscall.h文件中有这些系统调用基本说明。系统调用Exec定义SpaceId Exec(char *name);系统调用Exec基本流程（1） 通过寄存器r4获得文件名指针（2） 建立线程，通过函数exec_func执行用户程序（3） 返回值（线程ID）写入寄存器r2（4） 通过函数PC_advance更新PC函数exec_func基本流程（1）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名（2）通过已经实现的Open函数打开文件（3）通过已经实现的AddrSpace的构造函数初始

15、化地址空间（4）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器（5）通过已经实现的RestoreState函数装载页表（6）通过已经实现的Run函数运行用户程序重要部分可以仿照StartProcess函数实现系统调用Fork定义void Fork(void (*func)();系统调用Fork基本流程（1） 通过寄存器r4获得函数位置（2） 复制当前进程地址空间注意到AddrSpace的构造函数需要打开文件作为输入，所以增加线程属性，记录当前线程对应打开文件的名称，实现Fork函数时，需要逐页复制页表内容（3） 建立线程，执行函数fork_func（4） 通过函数PC_advance

16、更新PC函数Fork_func基本流程（1） 设置当前线程地址空间（2）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器（3）通过已经实现的RestoreState函数装载页表（4）设置当前线程PC（5）通过已经实现的Run函数运行用户程序系统调用Yield定义void Yield();系统调用Yield基本流程（1） 通过函数PC_advance更新PC（2） 通过已经实现的Yield函数实现线程切换这里需要先更新PC，否则陷入死循环系统调用Join定义int Join(SpaceId id); 系统调用Join基本流程（1）通过寄存器r4获得线程ID（2）检查全局数组ThreadI

17、D，确定特定线程是否处于活跃状态，如果特定线程处于活跃状态，那么进行线程切换根据前面已经实现的机制，线程构造函数会分配线程ID，线程析构函数会回收线程ID，所以能够通过线程ID确定特定线程是否处于活跃状态（3）通过函数PC_advance更新PC系统调用Exit定义void Exit(int status)系统调用Exit基本流程（1） 通过寄存器r4获得退出状态，输出相关信息（2） 通过已经实现的clear函数释放页表相关空间（3） 通过函数PC_advance更新PC（4） 通过已经实现的Finish函数结束当前线程Exercise 5 编写用户程序 编写并运行用户程序，调用练习4中所写系

18、统调用，测试其正确性。用户程序1基本思路（1）通过系统调用Exec执行特定文件（2）通过系统调用Yield进行线程切换涉及系统调用:Exec、Yield、Exit#include syscall.hint main() Exec(halt); Yield();用户程序1执行结果（1） 主线程分配空间，开始执行（2） 执行系统调用Exec，建立新线程，准备执行halt（3） 执行系统调用Yield，主线程进行线程切换（4） 新线程分配地址空间，开始执行（5） 新线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息（6）主线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息结果

19、如下，符合实际 用户程序2基本思路（1）通过系统调用Exec执行特定文件（2）通过系统调用Join等待新线程结束涉及系统调用:Exec、Join、Exit#include syscall.hint main() int id = Exec(halt); Join(id);用户程序2执行结果（1）主线程分配空间，开始执行（2）执行系统调用Exec，建立新线程，准备执行halt（3）执行系统调用Join，新线程没有结束，主线程进行线程切换（4）新线程分配地址空间，开始执行（5）新线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息（6）主线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息结果如下，符合实际 用户程序3基本思路（1）通过系统调用Fork建立新线程（2）新线程执行相关操作涉及系统调用:Fork、Exit#include syscall.hvoid func(