nachosLab实习报告.doc

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得完成情况 3
内容三:遇到得困难以及解决方法 16
内容四:收获及感想 16
内容五:对课程得意见与建议 16
内容六:参考文献 16
内容一:总体概述
本次lab得主要内容就是实现nachos定义得系统调用。理论方面,我们需要了解nachos系统调用得实现原理,实践方面,我们需要实现文进系统相关系统调用与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得正确性。
内容二:任务完成情况
任务完成列表(Y/N)
Exercise1
Exercise2
Exercise3
Exercise4
Exercise5
Y
Y
Y
Y
Y
具体Exercise得完成情况
一、理解Nachos系统调用
Exercise 1 源代码阅读
阅读与系统调用相关得源代码,理解系统调用得实现原理。
code/userprog/syscall、h
code/userprog/exception、cc
code/test/start、s
userprog/syscall、h定义nachos得系统调用,主要包括系统调用号与系统调用函数,内核通过识别用户程序传递得系统调用号确定系统调用类型
已经实现得系统调用包括
void Halt();
关闭nachos虚拟机,打印性能统计信息
需要实现得系统调用包括:
3种系统调用涉及地址空间:
1)、void Exit(int status);
用户程序完成,status = 0表示正常退出
2)、SpaceId Exec(char *name);
加载并执行名字就是name得Nachos可执行文件,返回其地址空间得标志符
SpaceId实际就是整型,标识地址空间
3)、int Join(SpaceId id);
等待标志符为id得用户线程运行完毕,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得Nachos文件
2) 、OpenFileId Open(char *name);
打开文件名name得Nachos文件,返回打开文件标志符
OpenFileId实际就是整形,标识打开文件
3)、void Write(char *buffer, int size, OpenFileId id);
向标志符就是id得文件写入buffer中长度为size字节得数据
4)、int Read(char *buffer, int size, OpenFileId id);
从标志符就是id得文件读取长度为size字节得数据存入buffer,返回实际读取得字节数
5)、void Close(OpenFileId id);
关闭标志符就是id得文件
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)());
创建与当前线程拥有相同地址空间得线程,运行func指针指向得函数
2)、void Yield();
当前线程让出CPU
code/userprog/exception、cc定义进行异常处理得ExceptionHandler函数,主要流程就是根据异常信息处理不同异常,包括系统调用
目前支持得异常:
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
OverflowException, // 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就是辅助用户程序运行得汇编代码,主要包括初始化用户程序与系统调用相关操作
(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:
jal main //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
jal Exit
、end __start
(2)系统调用:用户程序执行系统调用时,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
syscall
j $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1
r5->系统调用参数2
r6->系统调用参数3
r7->系统调用参数4
系统调用主要流程:
machine得Run函数运行用户程序,实现在machine/mipssim、cc,基本流程就是通过OneInstruction函数完成指令译码与执行,通过interrupt得OneTick函数使得时钟前进
（1） OneInstruction函数判断当前指令就是系统调用,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、文件系统相关得系统调用
Exercise 2 系统调用实现
类比Halt得实现,完成与文件系统相关得系统调用: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得定义实现系统调用
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） 通过已经实现得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 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)通过已经实现得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, OpenFileId 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） 通过已经实现得Read函数读取文件相关内容,记录实际读出字节数
（3） 通过已经实现得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获得打开文件数据结构
(2)通过已经实现得ReadMem函数获得缓冲区数据
(3)通过已经实现得Write函数将缓冲区内容写入文件
(4)通过函数PC_advance更新PC

Exercise 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(系统调用Close)
关闭文件write、txt(系统调用Close)

用户程序得添加
修改test/MakeFile
all: halt shell matmult sort test1
test1、o: test1、c
$(CC) $(CFLAGS) -c test1、c
test1: test1、o start、o
$(LD) $(LDFLAGS) start、o test1、o -o test1、coff
、、/bin/coff2noff test1、coff test1
用户程序得执行

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、执行用户程序相关得系统调用
Exercise 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)通过已经实现得Open函数打开文件
(3)通过已经实现得AddrSpace得构造函数初始化地址空间
(4)通过已经实现得InitRegisters函数初始化寄存器
(5)通过已经实现得RestoreState函数装载页表
(6)通过已经实现得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得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得名称,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)通过已经实现得InitRegisters函数初始化寄存器
(3)通过已经实现得RestoreState函数装载页表
(4)设置当前线程PC
(5)通过已经实现得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） 通过已经实现得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ThreadID,确定特定线程就是否处于活跃状态,如果特定线程处于活跃状态,那么进行线程切换
根据前面已经实现得机制,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确定特定线程就是否处于活跃状态
(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） 通过已经实现得clear函数释放页表相关空间
（3） 通过函数PC_advance更新PC
（4） 通过已经实现得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、h"
int 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、h"
int 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、h"
void func()
{
Create("test1、txt");
}
int main()
{
Create("test2、txt");
Fork(func);
}
用户程序3执行结果
文件test1、txt,test2、txt顺利创建,符合实际
内容三:遇到得困难以及解决方法
困难:Fork系统调用得实现
Fork系统调用需要对页面进行深度复制,可以模仿AddrSpace构造函数得思路,逐字节复制相关页面。我们可以发现,Fork得效率就是比较低得,所以linux引入系统调用vfork与create解决这样得问题。fork创造得子进程复制了父亲进程得所有资源,包括内存资源与task_struct内容。vfork创造得子进程不就是真正意义上得进程,而就是线程,因为父进程与子进程共享内存资源,子进程缺少独立得内存资源,clone创造得子进程可以有选择性得继承父进程得资源。
内容四:收获及感想
实习课程与理论课程相得益彰。通过本次实习,我强化了对系统调用相关知识得理解,锻炼了编程能力。经过本学期得学习,感觉对nachos系统有了初步得了解,对课程有了相当得兴趣,期待在以后得学习中能够更多得进行操作系统得相关实践
内容五:对课程得意见与建议
我觉得课程形式好,互动强,使我受益匪浅。我觉得课程形式好,互动强,使我受益匪浅。助教认真负责,知识充分,为课程付出很多,助教辛苦了:-D
内容六:参考文献
[1]操作系统课件 运行环境与运行机制
[2]nachos中文教程
[3]
Nachos3、4 Lab2 文件机制 实习报告 系统调用
[4]
Nachos系统调用实习报告