nachos-Lab6实习报告

系统调用实习报告2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的完成情况..............................................3内容三：遇到的困难以及解决方法..........................................16内容四：收获及感想......................................................16内容五：对课程的意见和建议..............................................16内容六：参考文献........................................................163内容一：总体概述本次lab的主要内容是实现nachos定义的系统调用。理论方面，我们需要了解nachos系统调用的实现原理，实践方面，我们需要实现文进系统相关系统调用和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的正确性。内容二：任务完成情况任务完成列表（Y/N）Exercise1Exercise2Exercise3Exercise4Exercise5YYYYY具体Exercise的完成情况一、理解Nachos系统调用Exercise1源代码阅读阅读与系统调用相关的源代码，理解系统调用的实现原理。code/userprog/syscall.hcode/userprog/exception.cccode/test/start.suserprog/syscall.h定义nachos的系统调用,主要包括系统调用号和系统调用函数，内核通过识别用户程序传递的系统调用号确定系统调用类型已经实现的系统调用包括voidHalt();关闭nachos虚拟机，打印性能统计信息需要实现的系统调用包括：3种系统调用涉及地址空间：1)、voidExit(intstatus);用户程序完成，status=0表示正常退出2)、SpaceIdExec(char*name);加载并执行名字是name的Nachos可执行文件，返回其地址空间的标志符SpaceId实际是整型，标识地址空间3)、intJoin(SpaceIdid);等待标志符为id的用户线程运行完毕，返回其退出状态45种系统调用涉及文件系统：1)、voidCreate(char*name);创建文件名name的Nachos文件2)、OpenFileIdOpen(char*name);打开文件名name的Nachos文件，返回打开文件标志符OpenFileId实际是整形，标识打开文件3)、voidWrite(char*buffer,intsize,OpenFileIdid);向标志符是id的文件写入buffer中长度为size字节的数据4)、intRead(char*buffer,intsize,OpenFileIdid);从标志符是id的文件读取长度为size字节的数据存入buffer，返回实际读取的字节数5)、voidClose(OpenFileIdid);关闭标志符是id的文件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)、voidFork(void(*func)());创建和当前线程拥有相同地址空间的线程，运行func指针指向的函数2)、voidYield();当前线程让出CPUcode/userprog/exception.cc定义进行异常处理的ExceptionHandler函数，主要流程是根据异常信息处理不同异常，包括系统调用目前支持的异常: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是辅助用户程序运行的汇编代码，主要包括初始化用户程序和系统调用相关操作（1）初始化用户程序：通过调用main函数运行用户程序.globl__start.ent__start5__start:jalmain//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jalExit.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syscallj$31.endHalt系统调用相关寄存器：r2-系统调用号，系统调用返回值r4-系统调用参数1r5-系统调用参数2r6-系统调用参数3r7-系统调用参数4系统调用主要流程：machine的Run函数运行用户程序，实现在machine/mipssim.cc，基本流程是通过OneInstruction函数完成指令译码和执行，通过interrupt的OneTick函数使得时钟前进（1）OneInstruction函数判断当前指令是系统调用，转入start.s（2）通过start.s确定系统调用入口，通过寄存器r2传递系统调用号，转入exception.cc（此时系统调用参数位于相应寄存器）（3）exception.cc通过系统调用号识别系统调用，进行相关处理，如果系统调用存在返回值，那么通过寄存器r2传递，流程结束时，需要更新PC（4）系统调用结束，程序继续执行添加系统调用：（1）syscall.h定义系统调用接口、系统调用号（2）code/test/start.s添加链接代码（3）exception.cc添加系统调用处理过程6二、文件系统相关的系统调用Exercise2系统调用实现类比Halt的实现，完成与文件系统相关的系统调用：Create,Open，Close，Write，Read。Syscall.h文件中有这些系统调用基本说明。基本思路：修改userprog/exception.cc，按照userprog/syscall.h的定义实现系统调用系统调用Create定义voidCreate(char*name);系统调用Create基本流程（1）通过寄存器r4获得文件名指针（2）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名（3）通过已经实现的Create函数创建文件（4）通过函数PC_advance更新PC系统调用Open定义OpenFileIdOpen(char*name);系统调用Open基本流程（1）通过寄存器r4获得文件名指针（2）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名（3）通过已经实现的Open函数打开文件7（4）返回值（打开文件数据结构）写入寄存器r2（5）通过函数PC_advance更新PC系统调用Close定义voidClose(OpenFileIdid);系统调用Close基本流程（1）通过寄存器r4获得打开文件数据结构（2）通过打开文件数据结构析构函数关闭文件（3）通过函数PC_advance更新PC系统调用Read定义intRead(char*buffer,intsize,OpenFileIdid);系统调用Read基本流程（1）通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获得打开文件数据结构（2）通过已经实现的Read函数读取文件相关内容，记录实际读出字节数（3）通过已经实现的WriteMem函数将文件内容写入缓冲区（4）返回值(实际读出字节数)写入寄存器r2（5）通过函数PC_advance更新PC8系统调用Write定义voidWrite(char*buffer,intsize,OpenFileIdid);系统调用Write基本流程（1）通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获得打开文件数据结构（2）通过已经实现的ReadMem函数获得缓冲区数据（3）通过已经实现的Write函数将缓冲区内容写入文件（4）通过函数PC_advance更新PCExercise3编写用户程序编写并运行用户程序，调用练习2中所写系统调用，测试其正确性。用户程序基本思路创建文件write.txt（系统调用Create）打开文件read.txt（已经存在，内容hello_world）(系统调用Open)9打开文件write.txt（系统调用Open）读入文件read.txt内容，记录读入字节数（系统调用Read）内容写入文件write.txt（系统调用Write）关闭文件read.txt(系统调用Close)关闭文件write.txt(系统调用Close)用户程序的添加修改test/MakeFileall:haltshellmatmultsorttest1test1.o:test1.c$(CC)$(CFLAGS)-ctest1.ctest1:test1.ostart.o$(LD)$(LDFLAGS)start.otest1.o-otest1.coff../bin/coff2nofftest1.cofftest1用户程序的执行检查userprog文件夹，出现文件write.txt10可以发现，相关内容顺利写入，符合实际三、执行用户程序相关的系统调用Exercise4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SpaceIdExec(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）通过已经实现的Open函数打开文件（3）通过已经实现的AddrSpace的构造函数初始化地址空间（4）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器（5）通过已经实现的RestoreState函数装载页表（6）通过已经实现的Run函数运行用户程序重要部分可以仿照StartProcess函数实现11系统调用Fork定义voidFork(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的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的名称，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）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器（3）通过已经实现的RestoreState函数装载页表（4）设置当前线程PC12（5）通过已经实现的Run函数运行用户程序系统调用Yield定义voidYield();系统调用Yield基本流程（1）通过函数PC_advance更新PC（2）通过已经实现的Yield函数实现线