Nachos系统调用实习报告

系统调用实习报告善良的大姐姐2015.5.32目录一：总体概述...................................................................................3二：任务完成情况............................................................................3任务完成列表（Y/N）................................................................3具体Exercise的完成情况...........................................................3三：遇到的困难以及解决方法......................................................18四：收获及感想.............................................................................19五：对课程的意见和建议..............................................................19六：参考文献.................................................................................193一：总体概述自lab4我们完成了虚拟内存的实习，可以运行用户程序之后，我们就考虑加入系统调用。即，用户程序可以通过特定的系统调用，陷入Nachos内核，从而完成特定的目标。本次lab一共要求完成10个系统调用，包括两大部分，文件系统相关——Create，Open，Close，Read，Write；用户程序相关——Exec，Fork，Yield，Join，Exit。需要在阅读和理解源码的基础上，知道系统调用的执行流程，进一步修增源代码，实现新增的系统调用功能。二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5YesYesYesYesYes具体Exercise的完成情况Exercise1：源代码阅读任务：阅读与系统调用相关的源代码，理解系统调用的实现原理。完成情况：1.Syscall.h概述：1)定义了每个系统调用对应的系统调用号2)声明了每个系统调用2.Exception.cc概述：对系统陷入进行处理。1）从machine的2号寄存器读入系统调用号42）执行对应的操作代码（需要自己完成）3）（如果需要）将返回值写回Machine的2号寄存器3.Start.s概述：当用户程序执行一个系统调用的时候，将参数放入2号寄存器，然后跳转到exception.cc执行。以Halt为例：4.总结当用户希望执行一条系统调用的时候：1）在用户程序中调用2）当这条语句被OneInstruction函数解析执行时，会判断出这是一条系统调用，转入start.s3）在start.s中找到系统调用对应的入口（可能需要自己增加），将系统调用号放入machine的2号寄存器，并转入exception.cc4）在exception.cc中，读出2号寄存器中的系统调用号，执行对应操作5）必要时，将返回值写回2号寄存器，并注意，将PC前进。6）指令回到用户程序系统调用的下一条继续执行。系统调用完成。为了执行一条系统调用，我们需要完成的部分：1）自己写一个用于测试的用户程序的.c文件，并修改test的Makefile，使得用户程序能够被Nachos系统执行。2）因为本次lab需要写的系统调用，在start.s中都已经写好了，因此我们不需要修改。同样，syscall.h中，系统调用号和函数声明也都写好了。（但如果希望自己新增系统调用，这两个文件是需要修改的，修改方式可以参照别的系统调用）3）补充exception.cc，执行对应的系统调用操作。将系统调用号放入2号寄存器第一步：增加需要编译的文件名称。这两个是我新增的第二步，增加如何编译的信息。5Exercise2:系统调用实现任务：类比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。Exercise3:编写用户程序任务：编写并运行用户程序，调用练习2中所写系统调用，测试其正误。EX2+EX3完成情况：首先，在完成了文件系统的lab之后，为了能够让userprog编译通过，需要修改system.h的makefile，多include几个头文件以及声明extern变量。否则，会出现：undefinedreference***这种情况。其次，我们需要在exception.cc中，加入系统调用入口：1.voidCreate(char*name)概述：61）从4号寄存器读入文件名指针2）利用指针，从Machine的mainmemory（内存）中，读出文件名3）用文件名为参数，调用filesystem的create函数，创建文件（默认长度256byte）4）将PC前移：(machine.cc中定义)代码：（从内存中读出文件名部分）测试截图：之后在userprog文件夹下，就出现了a.txt这个文件（因为我是用UNIX的文件系统来做这次lab的）2.OpenFileIdOpen(char*name)概述：1）从4号寄存器读入文件名指针2）利用指针，从Machine的mainmemory（内存）中，读出文件名73）用文件名为参数，调用filesystem的open函数，打开文件，返回OpenFile指针（在Nachos系统中，OpenFile相当于是文件描述符）4）将OpenFile指针写回machine的2号寄存器（machine-WriteRegister(2,(int)openfile)）5）PC前移代码：（Openfile写回部分）测试截图：（打开失败）（Open成功会配合之后的系统调用再进行测试截图）3.voidClose(OpenFileIdid)概述：1）从4号寄存器中读出OpenFile的指针2）调用filesystem的close方法，将openfile关闭（自己编写的close方法，其中将传入的OpenFile指针delete掉）3）PC前移代码：（从寄存器中读出Openfile指针+关闭部分）测试截图：（Close配合open系统调用测试截图）84.intRead(char*buffer,intsize,OpenFileIdid)概述：1）从4号寄存器读出来装载字符串的指针2）从5号寄存器读出需要读取的字符串长度3）从6号寄存器读出OpenFile的指针4）调用openfile的read函数，从光标位置读出一定长度的字符串，存入临时数组当中5）将读出来的内容，写回machine的mainmemory中，写入的位置就是字符串指针依次往后。6）将openfile的read函数的返回值，写入2号寄存器当中。代码：创建文件打开文件关闭文件注意：打开文件返回的文件指针，和关闭文件时读取的文件指针相同。9测试截图：（见write部分，二者配合测试。）5.voidWrite(char*buffer,intsize,OpenFileIdid)概述：1）从4号寄存器读出来装载字符串的指针2）从5号寄存器读出需要读取的字符串长度3）从6号寄存器读出OpenFile的指针4）从machine的mainmemory中，从字符串指针位置开始，连续读出字符串长度个字符5）将读出来的内容，调用OpenFile的write方法，写入文件当中。代码：测试截图：a)单独测试write10b)配合read一起测试打开文件a，读取文件a（指针相同）打开文件b，将a读取的内容写入b（指针也相同~）字符的起始位置都是一样的。成功写入希望写入的内容11Exercise4:系统调用实现任务：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。Exercise5:编写用户程序任务：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。EX4+EX5完成情况：首先，为了能够使得Join和Exec的系统调用，能够在父子进程之间发生联系，我们需要在thread.h中加入Thread*childThread[MaxThreadSize]，用于记录当前线程的子线程的thread指针。这个数组在thread的构造函数中初始化，初始值均为NULL。还需要加入Thread*fatherThread变量，用于记录当前线程的父线程（如果存在）。同样在构造函数中进行初始化，初始赋值为自己。1.SpaceIdExec(char*name))概述：1)从4号寄存器中读出名字指针，并仿照EX2中的做法，从mainmemory中获得名字。2)新创建一个线程3)在当前线程的childThread数组中，寻找是否还有空位，如果有，赋值给新创建的线程，标明父子关系，并且将新线程的指针号写回2号寄存器。接着，将新创建线程的fatherThread指针赋值为currentThread。新线程这时可以调用Fork，执行一段代码。最后，PC前移4)如果没有空位，输出错误信息，将PC前移。5)Fork执行的代码：参照progtest中，startprocess函数，先是打开这个用户程序文件，然后新创建一个地址空间，接着初始化machine，最后让machine-run。代码：a)Fork之后调用的函数：12b)处理系统调用的代码：测试截图：（和之后的join+exit一起测）2.intJoin(SpaceIdid)概述：1)从4号寄存器中读出要等待的子线程的OpenFile指针2)找到自己的childThread数组中，这个OpenFile指针对应的位置3)While循环，当这个位置不为NULL时，调用currentThread-Yield()，等待子线程结束4)跳出while循环后，将子线程的结束状态写入2号寄存器，PC前移13代码：测试截图：（配合Exec和Exit一起测）3.voidExit(intstatus)概述：1)由于lab4虚拟内存中，需要在exit系统调用中释放page和清空tlb，因此此处继续保留这两个功能。2)判断：如果当前exit的线程不是主线程：如果当前线程有父线程，将父线程中对应的自己设置为NULL（表明自己已经要退出啦！），并且调用currentThread-Finish()3)如果是主线程：PC前移测试截图：（配合之前的Exec和Exit）a)测试函数：Mytest函数：14b)测试截图：主线程执行Exec系统调用新Fork出来的线程（设置优先级更高，于是立即抢占）切换新线程创建自己的用户空间准备在新线程的新的用户空间中运行Mytest由于时间片到了，此时切换到主线程主线程此时执行完了Exec，开始执行Join系统调用。由于在等待的子线程还未结束，于是让位CPU154.voidFork(void(*func)())概述：1)从4号寄存器中读出要执行的用户函数的起始PC2)新创建一个线程，并参照Exec中的步骤，完成父子关系的建立3)PC前移。4)在Fork的系统函数中，完成准备工作：将父进程的用户空间（Pagetable）拷贝到子进程中；将machine当前的PC值修改为1）中的PC值，NextPC值修改为1）中的PC值+4；将修改完成的这套寄存器值存放到新线程的寄存器当中（其中，除了两个PC值，其余的都和父进程相同！）5)Machine-Run()，就可以跳转到用户函数执行了。注意：1)开始时刻，子进程和父进程的寄存器值，除了PC不同，别的都相同。2)子进程和父进程使用同样的pag