哈工大操作系统课程实验答案.zip

# linux-0.11 :blue_book: 理论课：https://www.bilibili.com/video/BV1d4411v7u7 :blue_book: 有用的参考资料（*linux-0.11* 注释版）：https://github.com/beride/linux0.11-1 *main branch* 为 *linux-0.11* 源码 #### 代码差异查看：Pull request 选择对应分支与 main 进行比较即可 ## :heavy_check_mark: lab0 操作系统的引导（branch lab0） 1. 改写 bootsect.s 主要完成如下功能： - bootsect.s 能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting...”。 2. 改写 setup.s 主要完成如下功能： - bootsect.s 能完成 setup.s 的载入，并跳转到 setup.s 开始地址执行。而 setup.s 向屏幕输出一行"Now we are in SETUP"。 setup.s 能获取至少一个基本的硬件参数（如内存参数、显卡参数、硬盘参数等），将其存放在内存的特定地址，并输出到屏幕上。 setup.s 不再加载 Linux 内核，保持上述信息显示在屏幕上即可。 :blue_book: 实验指导书：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/568/document/ ## :heavy_check_mark: lab1 实现系统调用（branch lab1） 1. 在 kernel/system_call.s 修改系统调用总数为74。 2. 在 include/unistd.h 中添加宏，指明调用函数表定位。 3. 在 include/linux/sys.h 中写入两个函数（sys_iam, sys_whoami）函数定义。并在其后的函数表增加两个新函数。 4. 新增 kernel/who.c 实现两个系统调用。 5. 修改makefile - OBJS 增加who的依赖（who.o） - Dependencies中增加 who.s 和 who.o的依赖产生条件 6. make 执行./run 进入linux子系统，在/usr/include/unistd.h中增加iam 和 whoami 的宏定义（同第2点）。 7. 在用户态编写测试程序测试是否成功。 :blue_book: 实验指导书：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/569/document/ ## :heavy_check_mark: lab2 实现进程运行轨迹的跟踪（branch lab2） 1. process.c 实现了模拟cpu计算以及io计算混合的场景，并采用多进程的方式运行。 2. 将内核进程切换的几个状态进行打印输出（pid status time）到/var/process.log。 3. 在 init/main 中的init()函数 进入用户态语句后，将文件描述符3关联到/var/process.log。 4. 在 kernel/printk 中实现fprintk()函数，以打印输出到process.log日志。 5. 寻找状态切换点，并加入fprintk()写日志。 - 进程开始 kernel/system_call.s -> sys_fork (call copy_process) - 运行、阻塞态切换 kernel/sched.c -> schedule sys_pause sleep_on interruptible_sleep_on wake_up - 退出 kernel/exit.c -> do_exit sys_waitpid 6. 注意：linux-0.11 中 gcc 不可以编译 // 注释。 :blue_book: 实验指导书：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/570/document/ ## :heavy_check_mark: lab3 替换linux0.11原有的tss进程切换为堆栈切换（branch lab3） 原切换方式是通过tss，相当于是寄存器的快照，通过intel提供的指令直接进行现场替换，速度较慢。堆栈切换的效率更高。 ### kernel/sched.c 1. 原switch_to方法基于tss切换，我们要在头文件将其注释掉。 2. 新switch_to，需要两个参数（1：下一个pcb的指针 2：下一个任务在数组中的位置 用于切换LDT）。 ### kernel/system_call.s 1. 编写switch_to 汇编实现 2. pcb的切换 3. 重写tss内核栈位置（此时保留tss，但全局只有一个tss，不利用它来做进程切换。） 4. 切换内核栈 5. LDT的切换 ### kernel/fork.c 1. 将pcb中tss的设置注销掉。 2. 在pcb中加入新的成员变量 —— kernel stack，用于存储内核栈信息。 3. 将栈信息写入此处，并让pcb该成员变量指向该指针。 :blue_book: 实验指导书：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/571/document/ :blue_book: 参考：https://blog.csdn.net/qq_42518941/article/details/119182097 ## :heavy_check_mark: lab4 在linux0.11实现信号量系统调用（branch lab4） ### 前置重点知识点 1. kernal/sched.c sleep_on 传入等待队列队首，将current置为阻塞态，主动执行调度schedule()。tmp存储原阻塞队列，当被唤醒时，将阻塞队列全部置为Runnable。 2. kernal/sched.c wake_up 唤醒所有被阻塞的pcb，程序中只能看到唤醒队首，但要结合sleep_on读，一旦结合就会发现，头被唤醒会使后续全部唤醒。 ### 编写应用程序“pc.c”，解决经典的生产者—消费者问题，完成下面的功能： - 建立一个生产者进程，N 个消费者进程（N>1） - 用文件建立一个共享缓冲区 - 生产者进程依次向缓冲区写入整数 0,1,2,…,M，M>=500 - 消费者进程从缓冲区读数，每次读一个，并将读出的数字从缓冲区删除，然后将本进程 ID 和 + 数字输出到标准输出 - 缓冲区同时最多只能保存 10 个数 ### 实现信号量 ```c sem_t* sem_open(const char *name, unsigned int value); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem); int sem_unlink(const char *name); ``` - sem_open打开一个信号量 - 信号量减一 如果当前等于零则阻塞进程 - 信号量加一 - 关闭一个信号量 ### wait 与 post 的重点 - wait - 调用kernal/sched.c sleep_on 进行等待阻塞 - 利用关中断（linux0.11 单核）做到保护临界区 - 对 sem 的 value 减一 - post - 对 sem 的 value 加一，如果 value 大于0则调用 kernal/sched.c wake_up 唤醒被此信号量阻塞的进程 - 利用关中断（linux0.11 单核）做到保护临界区 :blue_book: 实验指导书：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/572/document/ ## :heavy_check_mark: lab5 地址的映射与共享（branch lab5） 逻辑地址 -> GDT -> LDT -> 页表 -> 物理地址 ### 访存理论知识 ### 段选择子 由 GDTR 访问全局描述符表是通过“段选择子”（实模式下的段寄存器）完成的 15        3   2   1 0 |    index   |   | RPL | - 3-15 为描述符索引, 表示所需要的段的描述符在描述符表的位置。 - 2 为指示选择子在 GDT 选择还是在LDT选择 (0 代表GDT 1 代表LDT)。 - 0-1 为选择特权级。 段选择子包括三部分：描述符索引（index）、TI、请求特权级（RPL）。它的index（描述符索引）部分表示所需要的段的描述符在描述符表的位置，由这个位置再根据在GDTR中存储的描述符表基址就可以找到相应的描述符。然后用描述符表中的段基址加上逻辑地址（SEL:OFFSET）的OFFSET就可以转换成线性地址，段选择子中的TI值只有一位0或1，0代表选择子是在GDT选择，1代表选择子是在LDT选择。请求特权级（RPL）则代表选择子的特权级，共有4个特权级（0级、1级、2级、3级）。 关于特权级的说明：任务中的每一个段都有一个特定的级别。每当一个程序试图访问某一个段时，就将该程序所拥有的特权级与要访问的特权级进行比较，以决定能否访问该段。系统约定，CPU 只能访问同一特权级或级别较低特权级的段。 例如给出逻辑地址：21h:12345678h转换为线性地址 a. 选择子 SEL = 21h = 0000000000100 0 01(b) 代表的意思是：选择子的index=4即0100，选择 GDT 中的第4个描述符；TI=0 代表选择子是在 GDT 选择；最后的01代表特权级 RPL=1。 b. OFFSET=12345678h若此时 GDT 第四个描述符中描述的段基址为11111111h，则线性地址 = 11111111h + 12345678h = 23456789h。 ### 访问GDT 1. 先从 GDTR 寄存器中获得 GDT 基址。 2. 然后在 GDT 中以段选择器高13位位置索引值得到段描述符。 3. 获取基址，加上偏移量获得线性地址。 ### 访问LDT 1. 先从 GDTR 寄存器中获得 GDT 基址。 2. 从 LDTR 寄存器中获取 LDT 所在段的位置索引 (LDTR 高13位)。 3. 以这个位置索引在 GDT 中得到 LDT 段描述符从而得到 LDT 段基址。 4. 用段选择器高13位位置索引值