一个小型操作系统的实现20071018123221653

第13章一个小型操作系统的实现本章知识点：13.1MINIX概述13.2进程13.3I/O任务13.4内存管理13.5文件系统为了了解到一个“真正”的操作系统是怎样一步步构造出来的，我们将以MINIX操作系统为例，对其设计方法进行介绍,并对其源代码进行简单分析。因为MINIX的源代码是公开的，有兴趣的读者还可以自己动手加以改造。13.1MINIX概述MINIX操作系统最早出现于20世纪80年代，由美国著名学者A.S.Tanenbaum用c语言编制。它从外部看来和UNIX非常相似，但实际上，MINIX的内部完全是经过重新设计的。它的主体部分设计为几个相对独立的模块，模块间依赖消息进行通讯，这样的模块化结构使得对它的理解和修改都更方便。本章中将介绍基于POSIX（国际标准9945-1）的MINIX2.0版本，它可以运行于基于80x86结构的兼容机系列。13.1.1MINIX的组成结构1．MINIX的四层结构MINIX的整个系统被分为4个层次：13.1.1MINIX的组成结构需要特别介绍的是位于用户进程层次的MINIX的命令解释器shell。命令解释器并不是操作系统的一部分，它本身就是一个计算机程序，用C语言编写，为协助用户与操作系统之间通讯而设计，管理用户与核心(kernel)之间的对话，并把操作系统指令换成机器代码。13.1.1MINIX的组成结构Shell通常利用终端作为标准输入输出设备。但是我们也可以利用以下的命令改变输入输出：verfileafileb,这条命令的意思是调用程序ver，从filea文件取输入，送输出到fileb文件。如果再利用管道，则可以将一个程序的输出作为另一个程序的输入，例如：ver/dev/lp，是将执行ver程序的结果从/dev/lp文件上输出。启动shell将首先显示系统提示符$,然后等待，假设用户输入命令move，shell读取该命令后，自动创建一个新进程来执行这个命令。命令执行完毕后，它再执行一个系统调用来终止这个进程，继续等待用户的下一个输入。13.1.1MINIX的组成结构shell还可以用来进行程序设计，它定义了各种变量和参数，并提供了包括循环与分支在内的，许多在高级语言中才具有的控制结构。使用shell编程类似于编辑DOS中的批处理文件，我们可以将一组我们想要执行的命令放在一个文件中，然后像执行其他程序一样运行这个文件。这个文件就被称为shell程序或shell命令文件，又被称为shellscript。当这个文件被运行时，shell就会像执行输入命令那样一条条的自动执行文件里保存的命令。13.1.1MINIX的组成结构2.源代码组织方式MINIX的源代码在逻辑上一般分为两个目录…/usr/include和…/usr/src/(为叙述方便，将简记为include/和src/)。13.1.1MINIX的组成结构程序在内存中运行时，各个模块的分布情况:13.1.2头文件在编程的过程中，有许多常量、宏以及结构类型的定义会经常被不同文件用到，通常把这些定义按照某种规则或需要组织在一起，于是就构成了头文件（header）,以后缀.h标识。1．公共头文件在头文件中，有一些是完全通用的，它们不是被源文件直接引用，而是被其它的头文件引用。MINIX中的三个主要部分：内核、文件系统和内存管理分别对应有三个主控头文件src/kernel/kernel.h、src/mm/mm.h和src/fs/fs.h。13.1.2头文件①在include/目录下，有三个被主控目录包含的头文件：ansi.h：用来测试编译器是否符合标准c的规定。整个文件的构造以#ifndef_ANSI_H为开始，并以#endif结束；limits.h:定义了一些基本的数据值的大小，比如：数据类型中的整形数所占位数的值等；errno.h:包含了全局变量errno返回的错误码，用于系统调用失败时通知用户程序。13.1.2头文件②include/sys目录下主要的头文件。由于同一种数据类型在16位和32位处理器上所占的字长可能存在差异，因而可能因错误理解在特定情况下使用的基本数据结构而引发问题。在文件types.h中定义了许多MINIX使用的数据类型及其相关的数值，从而可以避免这种情况的发生。通常紧跟在types.h之后的是ansi.h头文件，它们都被所有主控头文件包含。13.1.2头文件2．专有头文件除了公共头文件之外，在include/minix中存放的是在任何平台上实现MINIX都需要的头文件，而include/ibm中则存放了在IBM兼容机上实现MINIX所需的数据结构和宏的定义。在include/ibm目录中主要有两个文件：diskparm.h文件由软盘系统任务使用；partition.h定义了IBM兼容机上的硬盘分区表和有关常量。在/minix/目录中首先要注意到的是config.h文件，它被所有主控头文件所包含，且必须列在第一位。第三个要提到的头文件是type.h，它被主控头文件所包含，定义了很多重要的类型及其数量值。13.1.2头文件消息由如下几个部分组成：m-source域：用于指明消息的发送进程；m-type域：用于标识出消息的类型；数据域：包括定义为整型(int)或长型(long)的整数、字符、字符串、字符数组、指针以及函数等。13.2进程13.2.1概述计算机中的所有软件，被组织成一定的顺序运行，这就形成了进程的概念。在MINIX和进程有关的部分主要负责解决以下的问题：怎样创建和终止一个进程，并使之处于合适的队列中（进程管理）；怎样有效调度众多进程，使之在兼顾充分利用资源和进程特权级、优先级要求的同时保证有序运行（进程调度），这里也包括了对中断引起的进程状态改变的处理（中断处理）；进程之间怎样交互（进程通信）等等。13.2.1概述1．进程管理整体来看所有用户进程构成一棵大的进程树，初始化进程init是它们的根节点:计算机开机以后，固化在硬件的程序从引导盘（可以是硬盘或软盘）上将第一道第一扇区（也就是所谓的0磁道）中的内容读入内存并从开始执行。在系统装入完成前，所有涉及磁盘I/O的操作都要由boot完成。装入完成后，boot的使命就结束了。接下来就由内核启动各项任务，然后就是MM、FS以及位于第三层的其它服务纷纷登场。在用户成功登录以后，可执行文件login将执行用户命令解释器shell，shell负责接收用户命令，为每一条命令的执行创建一个子进程。13.2.1概述Shell接收命令创建进程的大概框架如下所示：13.2.1概述2.进程调度中断在操作系统中具有特殊的意义，它保证多道程序系统能够连续工作。MINIX的底层软件采用将中断转换为消息的方法来隐藏中断。每次处理中断时，都需要通过进程调度来确定哪一个进程重新获得运行机会。MINIX中的进程调度采用三级排队系统，分别对应第2、3、4层。进程所处层次越低其优先级越高，2、3层的进程可以一直运行到其自己阻塞，而第四层的用户进程则采用时间片轮转调度。13.2.1概述3.进程通信MINIX以消息来实现进程间的通信，并且对消息的发送存在一些限制：每个进程(任务)可以和同层或下一层中的进程(任务)通信，但用户进程不能直接和I/O任务通信。MINIX中发送和接收消息主要通过三条原语：send(a,&message):向进程a发送一条消息；receive(b,&message):从进程b处接收一条消息；send_rec(c,&message):发送消息给进程c，并等待它的回答。这些原语都可以通过c库函数来调用，第二个参数&message表示的是消息数据的内存地址，消息将从发送者复制到接收者，对于第三条原语来说，应答的消息将覆盖在原消息的地址上。13.2.2具体实现1.系统启动与初始化开机后，硬件（实际上指的ROM中的一个程序）读取引导盘的第一个扇区，执行其中的代码，这部分代码又引导boot程序的执行。执行boot的目的是得到操作系统的映象。这个映象保存在位于/minix/目录下的文件中，是由内核、MM、FS和init被分别编译后，再将它们链接在一起得到的。Boot本身并不是操作系统的组成部分，在操作系统被装入后，控制权即被转移给内核的有关代码。13.2.2具体实现系统启动和初始化流程:13.2.2具体实现2.中断处理中断处理是由硬件和软件共同完成的，为了避免对于烦琐硬件细节（主要是CPU的内部工作原理）的过多涉及，我们只简单介绍硬件完成的工作，主要侧重于软件的处理过程。13.2.2具体实现硬件中断和软件中断的处理流程:13.2.2具体实现3.进程调度进程的调度相对来说比较简单，对照第2、3、4层建立了三个运行进程队列。在头文件proc.h中定义了两个数组rdy_head和rdy_tail,它们的作用就是分别指向队列的队首进程和队尾进程。只有就绪进程才参与排队，而被阻塞的和取消的进程，则不会出现在这三个运行进程队列中。13.2.2具体实现4.进程通信因为中断处理到了最后，也归结到进程间通过消息传递信息，所以我们将从处理中断的两个函数开始，了解MINIX中的进程间通信过程。在3.6.2节中曾经介绍过三种进程间利用消息通信时所采用的同步机制，MINIX中采用的第一种组合方法，“阻塞发送，阻塞接收”，也就是所谓的会合原理。13.2.2具体实现与进程通信有关的函数和过程都在文件proc.c中。interrupt函数负责将硬件中断转换成消息，并把这条消息发送给与该设备对应的系统任务，它将按顺序完成以下工作：通过判断变量k_reenter，来检查在接收当前中断时是否有中断正在处理。若是，则将当前中断放入中断队列排队，等待以后调用unhold操作处理；检查目标任务是否正在等待中断，若是则发送消息，否则就将该任务的p_int_blocked标志设置为1；完成消息的发送：向目标任务消息缓冲区中的resourc域和type域写入内容，并将该任务的receive标志复位，解除该任务的阻塞，当消息复制完成后，任务就被调度执行。13.2.2具体实现处理软中断的工作是由sys_call完成的。和硬件中断不同，软中断的消息来源和去向更加复杂，因此要利用proc.h中提供的两个宏isoksrc_dest和isokprocn协同工作，检查并保证消息的源进程和目标进程都是合法的。检查通过后，若需要发送消息，则调用mini_send,需要接收消息则调用mini_rec。这两个负责发/收的进程是MINIX消息传递机制的核心，Mini_send的参数主要有三个：调用的进程名、目标进程名以及消息地址的指针。在发送之前，它还需要先进行以下的测试：宏isuserp测试参数caller_ptr；检查确认目标进程不是一个空进程，否则就报错；进行死锁测试；上述测试通过后将进行最重要的测试：检验目标进程表项中p_flags域中的receiving标志，以判断该进程是否在等待消息.13.3I/O任务13.3.1I/O任务概述I/O系统在MINIX中是必不可少的，它要为I/O设备配备驱动程序（实际上是一个通信程序）以实现设备与上层之间的通信和交互，同时负责处理由I/O操作引起的中断。此外，由于有些I/O设备是一种独占性的资源，对它的使用有可能引起死锁，这也是I/O系统要考虑的。13.3.1I/O任务概述I/O层次及其功能:进程利用消息实现数据读取:13.3.1I/O任务概述前面我们多次提到进程通过消息通讯，但用户进程是不能直接和I/O进程通信的。进程向FS发送消息请求一个文件，而FS则向设备驱动程序（磁盘驱动）发送消息来请求该文件的数据块，FS也是唯一向设备驱动程序发送消息的进程。13.3.1I/O任务概述MINIX中对死锁的处理比较简单，即忽略它（鸵鸟算法）。但是，这不意味着放任死锁的发生。MINIX中，除了FS启动时可以向MM发送“请求”消息报告RAM盘大小而外，其它任何情