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操作系统

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深圳大学计算机与软件学院高性能所系统技术组 SKT

2020-12-01

第1章入门实验

在深入学习和修改内核代码之前，我们先来在一些外围的编程操作。学会如何添加新的

应用程序、如何增加新的系统调用，以后才能做一些更加复杂的实验修改。

首先我们先来一个最简单的热身动作，修改 xv6 启动时的提示信息。打开 main.c 程序，

将其中的 cprintf()函数打印的启动提示信息“cpu0: starting xv6”修改成你所希望的样子，例

如将它修改成图 1-1 所示的样子——标志着自己开始动手修改 xv6 操作系统了。

图 1-1 修改后的启动提示信息

1.1. 新增可执行程序

为了给 xv6 添加新的可执行文件，需要了解 xv6 磁盘文件系统是如何生成的，然后才能

编写应用程序并出现在 xv6 的磁盘文件系统中。

1.1.1. 磁盘映像的生成

现在我们先来了解 xv6 磁盘文件系统上的可执行文件是怎么生成的，包括两步骤：1）

生成各个应用程序，2）将应用程序构成文件系统映像。

首先在 Makefile 中有一个默认规则，那就是所有的*.c 文件都需要通过默认的编译命令

生成*.o 文件。另外在 Makefile 中有一个规则用于指出可执行文件的生成，如代码 1-1 所示。

该模式规则说明，对于所有的%.o 文件将结合$(ULIB)一起生成可执行文件_%，比如说 ls.o（即

依赖文件$^）将链接生成_ls（即输出目标$@）。-Ttext 0 用于指出代码存放在 0 地址开始的

地方，-e main 参数指出以 main 函数代码作为运行时的第一条指令，-N 参数用于指出 data

节与 text 节都是可读可写、不需要在页边界对齐。

代码 1-1 Makefile 中可执行文件的生成规则

1. ULIB = ulib.o usys.o printf.o umalloc.o

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2020-12-01

3. _%: %.o $(ULIB)

4. $(LD) $(LDFLAGS) -N -e main -Ttext 0 -o $@ $^

5. $(OBJDUMP) -S $@ > $*.asm

6. $(OBJDUMP) -t $@ | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > $*.sym

代码 1-2 是 Makefile 中有关创建磁盘文件系统的部分。其中变量 UPROGS 包含了所有

相关的可执行文件名。磁盘文件系统 fs.img 目标依赖于 UPROGS 变量，并且将它们和 README

文件一起通过 mkfs 程序转换成文件系统映像 fs.img。

代码 1-2 Makefile 中创建磁盘文件系统的部分

1. UPROGS=\

2. _cat\

3. _echo\

4. _forktest\

5. _grep\

6. _init\

7. _kill\

8. _ln\

9. _ls\

10. _mkdir\

11. _rm\

12. _sh\

13. _stressfs\

14. _usertests\

15. _wc\

16. _zombie\

17.

18. fs.img: mkfs README $(UPROGS)

19. ./mkfs fs.img README $(UPROGS)

1.1.2. 添加简单程序

因此我们在 xv6 源码目录下，编写一个程序作为我们为 xv6 增加的一个应用程序。其中

types.h、stat.h 和 user.h 都是本目录中的头文件。此处的 printf()的第一个参数用于指出输出

文件，例如 0 号标准输入文件、1 号是标准输出文件，2 号是出错文件。程序运行结果是打

印一行信息“This is my own app!\n”。

代码 1-3 my-app.c

1. #include "types.h"

2. #include "stat.h"

3. #include "user.h"

5. int

6. main(int argc, char *argv[])

7. {

8. printf(1,"This is my own app!\n");

9. exit();

10. }

然后我们修改 Makefile 中的 UPROGS 变量，添加一个_my-app。然后可以执行 make，此

时可以看到输出的_my-app 文件，如屏显 1-1 所示。其中第二行 gcc 编译命令是由默认规则

触发的，生成 my-app.o。第三、四、五行的命令是代码 1-1 的规则触发的，其中 ld 链接命

令生成_my-app 可执行文件。由于可执行文件发生了更新，因此触发了磁盘文件系统 fs.img

目标的规则——第六行显示的命令使用 mkfs 程序生成 fs.img 磁盘映像文件，其中可执行文

件列表的最后一个就是我们刚生成的_my-app。

最后用 ll _my-app 命令查看所生成的可执行文件，占用了 12268 字节的空间。

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2020-12-01

屏显 1-1 编译 my-app.c

1. lqm@lqm-VirtualBox:~/xv6-public-xv6-rev9$ make

2. gcc -fno-pic -static -fno-builtin -fno-strict-aliasing -O2 -Wall -MD -ggdb -m32 -Werror -fno-omit-frame-

pointer -fno-stack-protector -c -o my-app.o my-app.c

3. ld -m elf_i386 -N -e main -Ttext 0 -o _my-app my-app.o ulib.o usys.o printf.o umalloc.o

4. objdump -S _my-app > my-app.asm

5. objdump -t _my-app | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$/d' > my-app.sym

6. ./mkfs fs.img README _cat _echo _forktest _grep _init _kill _ln _ls _mkdir _rm _sh _stressfs _usertests

_wc _zombie _my-app

7. nmeta 59 (boot, super, log blocks 30 inode blocks 26, bitmap blocks 1) blocks 941 total 1000

8. balloc: first 590 blocks have been allocated

9. balloc: write bitmap block at sector 58

10. dd if=/dev/zero of=xv6.img count=10000

11. 记录了 10000+0 的读入

12. 记录了 10000+0 的写出

13. 5120000 bytes (5.1 MB, 4.9 MiB) copied, 0.0628553 s, 81.5 MB/s

14. dd if=bootblock of=xv6.img conv=notrunc

15. 记录了 1+0 的读入

16. 记录了 1+0 的写出

17. 512 bytes copied, 0.000215976 s, 2.4 MB/s

18. dd if=kernel of=xv6.img seek=1 conv=notrunc

19. 记录了 333+1 的读入

20. 记录了 333+1 的写出

21. 170532 bytes (171 kB, 167 KiB) copied, 0.000703954 s, 242 MB/s

22. lqm@lqm-VirtualBox:~/xv6-public-xv6-rev9$ ll _my-app

23. -rwxrwxr-x 1 lqm lqm 12268 3 月 7 19:42 _my-app*

24. lqm@lqm-VirtualBox:~/xv6-public-xv6-rev9$

启动 xv6 系统后，执行 my-app 程序，正确地输出了我们期待的“This is my own app!”

字符串，如图 1-2 所示。

图 1-2 在 xv6 中运行新增的 my-app 程序

1.2. 新增系统调用

如果我们修改了 xv6 的代码，例如增加了调度优先级，那么就需要有设置优先级的系统

调用，并且通过应用程序调用该系统调用进行优先级设置。因此我们需要学习如何增加新的

系统调用，以及如何在应用程序中进行系统调用，后面才能验证 xv6 修改的功能。

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2020-12-01

增加用户态入口

为了让用户态代码能进行系统调用，需要提供用户态入口函数 getcpuid()和相应的头文

件。

 修改 user.h

为了让应用程序能调用用户态入口函数 getcpuid()，需要在错误!未找到引用源。 user.h

中加入一行函数原型声明“int getcpuid(void);”。该头文件应该被应用程序段源代码所使用，

因为它声明了所有用户态函数的原型。除此之外所有标准 C 语言库的函数都不能使用，因为

Makefile 用参数“-nostdinc”禁止使用 Linux 系统的头文件，而且用“-I.”指出在当前目录中

搜索头文件。也就是说 xv6 系统中，并没有实现标准的 C 语言库。

 usys.S 中定义用户态入口

定义了 getcpuid()原型之后，还需要实现 getcpuid()函数。我们在错误!未找到引用源。

usys.S 中加入一行“SYSCALL(getcpuid)”，例如可以插入到 usys.s 第 28 行后面。SYSCALL 是

一个宏，定义于错误!未找到引用源。第一行。SYSCALL(getcpuid)将把“getcpuid”定义为函数

入口，然后把 SYS_ getcpuid=22 作为系统调用号保存到 eax 寄存器中，然后发出 int 指令进

行系统调用“int $T_SYSCALL”。这样进入到系统调用公共入口后，以 eax 作为下标在系统调

用表 syscalls[]中找到需要执行的具体代码。

这里定义的 getcpuid()函数，就是在需要执行系统调用时所调用的用户态函数，使得用

户代码无需编写汇编指令来执行 int 指令。

修改 syscall.c 中的跳转表

在系统调用公共入口 syscall()中，xv6 将根据系统调用号进行分发处理。负责分发处理的

函数 syscall()（定义于错误!未找到引用源。 syscall.c），分发依据是一个跳转表。我们需要

这个修改跳转表，首先要在 syscall.c 第 102 行中的分发函数表 syscalls[]中加入“[SYS_getcpuid]

sys_getcpuid,”，也就是下标 22 对应的是 sys_getcpuid()函数地址（后面我们会实现该函数）。

其次，由于 sys_getcpuid 未声明，因此要在它前面（例如第 100 行后面的位置）加入一行

“extern int sys_getcpuid(void);” 用于指出该函数是外部符号。

前面提到：当用户发出 22 号系统调用是通过用户态函数 getcpuid()完成的，其中系统调

用号 22 是保存在 eax 的。因此 syscall()系统调用入口代码可以通过 proc->tf->eax 获得该系统

调用号，并保存在 num 变量中，于是 syscalls[num]就是 syscalls[22]也就是 sys_getcpuid()。代

码 1-5 是从 syscall.c 中截取的 syscall()部分。

代码 1-5 系统调用分发代码 syscall()

1. void

2. syscall(void)

3. {

4. int num;

6. num = proc->tf->eax;

7. if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {

8. proc->tf->eax = syscalls[num]();

9. } else {

10. cprintf("%d %s: unknown sys call %d\n",

11. proc->pid, proc->name, num);

12. proc->tf->eax = -1;

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