💭 写在前面
本篇博客将开始介绍 Pintos 的基本知识，为 Pintos 的 Project1 用户程序（User Program）做必要的只是铺垫，讲解 Pintos 运行原理、虚拟内存、页函数以及系统调用的实现。
📜 文章目录
0x00 背景介绍
0x01 用户程序是如何工作的（How User Program Works）
0x02 前置知识：Pintos 运行原理
0x03 代码实现
0x04 虚拟内存（Virtual Memory）
0x05 页函数（Functions for page）
0x06 系统调用（System Calls）
0x00 背景介绍
Pintos 是一个简单的操作系统，它可以启动，允许应用程序，关机。
你可以试着在 Pintos 上运行应用程序 "echo" ：
① 首先在 src/examples 和 src/userprog
- cd 至 src/examples 目录下，输入 make：
- cd 至 src/userprog 下，输入 make：
② 在 /src/userprog 路径下输入运行它
- 输入如下指令，利用 echo 打印 x （注意 -a echo 后面是两个 -）
~/pintos/src/userprog $
pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
熟悉的 "Powering off..." 这个 echo 程序看上去已经运行成功了，但是似乎没有出现结果。
0x01 用户程序是如何工作的（How User Program Works）
仔细观察前面指令的细节：
~/pintos/src/userprog $
pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
- --filesys-size=2： 生成大小为 2mb 的模拟 Pintos 磁盘（disk）。
- -p ../examples/echo -a echo： 将 .../examples/echo 复制到模拟磁盘，并将名称从 .../examples/echo 改为 echo 。
- -- ：在 echo 和 -f 之间：将 pintos 的选项和内核参数分离开。
- -f：Pintos 对模拟磁盘进行格式化操作。
- -q：在用户执行完 echo 后 Pintos 将终止。
- run 'echo x' ：Pintos 将以 x 作为参数，执行 echo。
❓ 再次思考：我们为什么看不看到 echo
这是因为在目前的 Pintos 中，系统调用（system call）、系统调用处理程序（system call handler）、参数传递（argument passing）和 用户栈（user stack）都没有实现！
（这些都是要你动手操作的，加油）
可以说，目前的 Pintos 其实就是个空壳子，许多操作系统应具有的功能都没有，这些都是斯坦福专家们精心为你准备的练习，让你自己手糊一个操作系统玩玩。说得轻松，但是难度真的不容小觑！
0x02 前置知识：Pintos 运行原理
如果想明白的更透彻，我们这里可以了解一下 Pintos 的运行原理。
Pintos 可以加载和运行常规的 ELF（Executable & Linkable Format）可执行文件。
因此要运行一个用户程序，我们必须把用户程序复制到模拟磁盘上（可以参考刚才指令的细节）。
~/pintos/src/userprog $
pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
- echo 是一个把参数写入标准输出（Standard Output）的应用程序。
- 因此，echo 需要内核中的系统调用所提供的 功能
- 并且还需要用到用户栈，在栈上存储参数并将它们传递给内核。
- 但是，当前的 Pintos 没有实现 系统调用 和 用户栈 。
echo x 结果的原因！
0x03 代码实现
溪云初起日沉阁，山雨欲来风满楼。
在这个项目中，我们需要让 Pintos 能够正确执行 "用户程序" ，我们应该在下列目录下完成，并修改下列文件：
代码级流程（Code Level Flow）
$ pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
/* 運行 */
run_actions(argv);
/* 終了 */
shutdown();
thread_exit();
💬 run_actions 函数：
run_actions(char** argv )
{
/* An action */
struct action {
char* name;
int argc;
void(*function) (char ** argv);
};
/* Table of supported actions. */
static const struct action actions[] = {
{"run", 2, run_task},
#ifdef FILESYS
{"ls", 1, fsutil_ls},
while(*argv != NULL) {
const struct action* a;
int i;
/* Find action name. */
for (a = actions; ; a++)
if (a->name == NULL)
PANIC("unknow action");
else if (!strcmp(*argv, a->name))
break;
/* Check for required arguments. */
for (i = 0; i < a->argc; i++)
if (argv[i] == NULL)
PANIC("action");
/* Invoke action and advance. */
a->function(argv);
argv += a->argc;
}💬 run_task 函数：
static void run_task (char** argv)
{
const char* task = argv[1];
printf("Excuting '%s': \n", task);
#ifdef USERPROG
process_wait (process_execute(task));
#else
run_test(test);
#endif
printf("Execution of '%s' complete.\n", task);
}
💬 process_execute 函数：
tid_t process_execute (
const char* file_name
)
{
char* fn_copy;
tid_t tid;
/* Make a copy of FILE_NAME.
Otherwise there's a race between the caller and load(). */
fn_copy = palloc_get_page(0);
if (fn_copy == NULL)
return TID_ERROR;
strlcpy(fn_copy, file_name, PGSIZE);
/* Create a new thread to execute FILE_NAME. */
tid = thread_create (file_name, PRI_DEFAULT, start_process, fn_copy);
if (tid == TID_ERROR)
palloc_free_page (fncopy);
return tid;
}
pintos 工具选项：
$ pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
👆 👆
多字符选项 单字符选项
- - ：表示单字符选项
- - - ：表示多个字符的选项 (你可以通过执行 pintos --help 来阅读选项）
分隔符：
$ pintos --filesys-size=2 -p ../examples/echo -a echo -- -f -q run 'echo x'
👆
[Pintos选项] 分隔符 [内核参数]
- - - ：Pintos 选项和 Pintos 内核参数之间的分隔符
* 根据 80x86 调用约定设置用户栈。
0x04 虚拟内存（Virtual Memory）
Pintos 将内存分为两个区域，用户内存和内核内存。
如果我们直接使用这些内存区域，就很难管理内存，例如：
- 每个进程都可以相互销毁
- 进程可以破坏对运行操作系统至关重要的内核代码
为了防止这些问题，操作系统采用了 虚拟内存系统（virtual memory system）。
由于虚拟内存的存在，每个进程都可以拥有自己专属的内存区域，并且能够使用它，就像该进程享用了整个内存一样。
而 Pintos 也是采用虚拟内存来管理内存区域的。
🔺 虚拟内存会被划分为两个区域：用户虚拟内存、内核虚拟内存。
虚拟内存：启动应用程序
内核虚拟内存是全局的，
Pintos 中的虚拟内存
- 每个进程都有自己的用户虚拟内存。
- Pintos分配给内核1GB作为全局内存。(PHYS_BASE (3 GB) ~ 4 GB的虚拟内存)
- 内存单元在Pintos中是一个页，大小为4KB。
- 用户程序可以通过页目录和页表翻译虚拟地址来访问物理内存。(参考上图 "页表"）。
0x05 页函数（Functions for page）
threads/palloc.c
is_user_vaddr() // 检查给定的虚拟地址是否是用户虚拟地址
is_kernel_vaddr() // 检查给定的虚拟地址是否是内核虚拟地址
ptov() // 将物理地址转换为内核虚拟地址
vtop() // 将内核虚拟地址转换为物理地址
threads/palloc.c
palloc_get_page() // 从用户或内核内存池中获取页
userprog/pagedir.c
pagedir_create() // 创建页表
pagedir_get_page() // 查询页面目录中与用户虚拟地址相对应的物理地址
pagedir_set_page() // 在页面目录中添加从用户虚拟地址到物理页面的映射
0x06 系统调用（System Calls）
正如我们所见，Pintos 将内存分为 用户虚拟内存 和 内核虚拟内存，以保护每个进程和内核代码。
随着虚拟内存的概念，操作系统防止用户程序访问包含核心功能的内核内存。
那么用户程序该如何使用内核的功能呢？
💡 操作系统提供了 系统调用（System Calls）来解决这个问题！
- 出于安全性考虑，操作系统提供了两种模式 —— 用户模式 和 内核模式。
- 当用户程序在用户模式下运行时，它不能访问内存或磁盘。
- 这些操作是在 内核模式 下进行的。
- 操作系统提供了进入内核模式的 系统调用 。
Pintos 在 lib/user/syscall.c
在 userprog/syscall.c
Pintos 中的系统调用程序
#include <stdio.h>
#include <syscall.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
bool success = true;
int i;
for (i = 1; i < argc; i++)
{
int fd = open(argv[i]);
if (fd < 0)
{
printf("%s: open failed\n", argv[i]);
success = false;
continue;
}
- 系统调用号 和 附加 参数 被压到调用者的栈中。
- 通过使用 int $0x30
int open(const char* file)
{
return syscall1 (SYS_OPEN, file);
}
/* Invokes syscall NUMBER, passing argument ARGO, and returns the
return value as and 'int'. */
#define syscall1(NUMBER, ARG0) \
(
int retval; \
asm volatile
("pushl %[arg0]; pushl %[number]; int $0x30; addl $8, %%esp" \
// 从系统调用处理程序返回后，恢复栈指针。
: "=aa" (retval)
: [number] "i" (NUMBER), \
[arg0] "g" (ARG0) \
: "memory"); \
retval; \
} )
.func intr_entry
intr_entry:
/* 保存调用者的寄存器 */
pushl %ds
pushl %es
pushl %fs
pushl %gs
pushal
/* 设置内核环境 */
cld // 字符串指令向上走
mov $SEL_KDSEG, %eax // 初始化段寄存器
mov %eax, %ds
mov %eax, %es
leal 56(%esp), %edp // 设置框架指针
/* 调用中断处理程序 */
push %esp
.glovl intr_handler
call intr_handler // Call interrupt handler
andl $4, %esp
.endfunc
threads/intr-stubs.S
void intr_handler(struct intr_frame* frame)
{
bool external;
intr_handler_func* handler;
/* 外部中断很特别
我们一次只能处理一个（所以中断必须关闭)
而且它们需要在PIC上被确认（见下文)
一个外部中断处理程序无法休眠。 */
external = frame->vec_no >= 0x20 && frame->vec_no < 0x30;
if (external)
{
ASSERT (intr_get_level() == INTR_OFF);
ASSERT (!intr_context());
in_external_intr = true;
yield_on_retrun = false;
}
/* 启用中断处理程序 */
handler = intr_handlers[frame->vec_no];
if (handler != NULL)
handler(frame);
在 Pintos 启动时，系统调用的中断处理程序就已经被注册了。
* 参考以下函数调用：
- main() in 'threads/init.c' calls syscall_init() which is in 'userprog/syscall.c'
- syscall_init() calls intr_register_int() in 'threads/interrupt.c'
- syscall_handler() 得到控制权，它可以通过 intr_frame 结构的 'esp' 成员访问栈（在threads/interrupt.h。
- 80x86 的惯例是将系统调用的返回值存储在 EAX 寄存器中，因此我们可以将返回值存储在intr_frame 结构的 'eax' 成员中。
static void syscall_handler(struct intr_frame* f UNUSED)
{
printf("system call!\n");
thread_exit();
}
* Pintos 提供了系统调用处理程序的骨架，我们将在这个项目中开发它。
struct intr_frame
{
/* 由intr-stubs.S中的 intr_entry 推送，
这些是保存被中断任务的寄存器。 */
uint32_t ebx; // 保存EBX
unit32_t edx; // 保存EDX
unit32_t ecx; // 保存ECX
unit32_t eax; // 保存EAX
void* esp; // 保存栈指针
uint16_t ss, :16; // esp的数据段
};
需要修改的： syscall.c process.c
📌 [ 笔者 ] 王亦优
📃 [ 更新 ] 2022.9.24
❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */
📜 [ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
📜 参考资料 Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy Pieces A. Silberschatz, P. Galvin, and G. Gagne, Operating System Concepts, 9th Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2014, ISBN 978-1-118-09375-7. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/. |
