CC BY 4.0 (除特别声明或转载文章外)
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实验题目
二状态进程模型
实验目的
- 学习进程模型知识,掌握进程模型的实现方法。
- 利用时钟中断,设计时钟中断处理进行进程交替执行
- 扩展 MyOS,实现多进程模型的原型操作系统。
实验内容
在实验五的基础上,进化你的原型操作系统,原型保留原有特征的基础上,设计满足下列要求的新原型操作系统:
- 内核实现简单进程模型,进程具有就绪、运行两种基本状态。建议在 c 程序中定义进程表,进程数量最多 4 个。
- 内核可以一次性加载最多 4 个用户程序。用户进程采用时间片轮转调度进程。由你设计有个性的用户程序,它们的输出各占 1/4 屏幕区域,信息输出有动感,以便观察程序是否在执行。
- 在原型中保证原有的系统调用服务可用。再编写 4 个用户程序,展示系统调用服务还能工作。
实验方案
实验环境
软件
- Windows 10, 64-bit (Build 17763) 10.0.17763
- Windows Subsystem for Linux [Ubuntu 18.04.2 LTS]:WSL 是以软件的形式运行在 Windows 下的 Linux 子系统,是近些年微软推出来的新工具,可以在 Windows 系统上原生运行 Linux。
- gcc version 7.3.0 (Ubuntu 7.3.0-27ubuntu1~18.04):C 语言程序编译器,Ubuntu 自带。
- NASM version 2.13.02:汇编程序编译器,通过
sudo apt install nasm
安装在 WSL 上。 - Oracle VM VirtualBox 6.0.6 r130049 (Qt5.6.2):轻量开源的虚拟机软件。
- VSCode - Insiders v1.33.0:好用的文本编辑器,有丰富的插件。
- hexdump for VSCode 1.7.2: VSCode 中一个好用的十六进制显示插件。
- GNU Make 4.1:安装在 Ubuntu 下,一键编译并连接代码,生成最终的文件。
大部分开发环境安装在 WSL 上,较之于双系统、虚拟机等其他开发方案,更加方便,也方便直接使用 Linux 下的一些指令。
硬件
开发环境配置
所用机器型号为 VAIO Z Flip 2016
- Intel(R) Core(TM) i7-6567U CPU @3.30GHZ 3.31GHz
- 8.00GB RAM
虚拟机配置
- 处理器内核总数:1
- RAM:4MB
实验原理
时钟中断响应后,保存当前进程 A 的寄存器状态;寻找下一个进程 B ;还原进程 B 的寄存器状态。
设计进程控制块和schedule
过程
首先要明确:需要保存多少个寄存器。
8086 计算机有以下寄存器:
- 指令指针寄存器:ip
- 段寄存器:cs, es, ds, ss
- 主寄存器:di, si, bp, sp, ax, bx, cx, dx
- 标志寄存器
我使用如下的 C 语言代码来作为进程控制和调度的过程:
#define SCHEDULE_QUEUE_LEN 9
#define NEW 0
#define RUNNING 1
struct PCB
{
int ip, cs, es, ds, ss, di, si, bp, sp, ax, bx, cx, dx, flags, pid;
} q[SCHEDULE_QUEUE_LEN], *qb = q, *qe = q + 1;
int statues[SCHEDULE_QUEUE_LEN] = {RUNNING, NEW}, pidStack[SCHEDULE_QUEUE_LEN], *top = pidStack;
void schedule()
{
do
if (++qb == q + SCHEDULE_QUEUE_LEN)
qb = q;
while (statues[qb->pid] != RUNNING);
if (++qe == q + SCHEDULE_QUEUE_LEN)
qe = q;
}
在老师给我们的原型中是为每个程序创建一张表,这样做的缺点有两个:一个是每个程序至多只能同时运行一个;另一个是在调度时如果只加载了少数进程,也仍然需要遍历检查所有的程序,会拖慢操作系统运行的速度。因此我在这里实现了一个循环队列,每次保存进程时写入队尾,进程恢复时从队首取一个「有效」的进程块即可。所谓「有效」将在下面「关闭进程」中解释。
这里使用 0 号 pid 代表内核进程。
创建进程
首先创建进程控制块,将cs
,ds
等寄存器设置为合适的值,然后设置该进程为「就绪」状态。考虑到进程结束后应返回内核并将该进程的statues
属性设置为NEW
,操作系统应事先在其用户栈内写入返回cs
和返回ip
。用户程序返回内核后,将alive
属性设置为 0,死循环等待时钟中断发生。时钟中断发生后,该进程结束,下一次时间片轮转将不再轮到它。
我实现了一个栈用来分配当前进程的 pid,即当前进程的标识。这样做的好处和上面使用循环队列的好处一样,可以减少分配时候的空转问题。此外,当栈为空的时候,我的操作系统可以重新分配 pid,从而实现杀进程的效果,防止进程资源被用户程序过多占用而不能新开进程。当然,0 号 pid 代表操作系统内核,因此不会被重新分配。
关闭进程
我这里使用了伪关闭的方法,不是直接将进程的控制块移出队列,而是先在状态表中将其置为关闭,等待调度程序来判断当前进程队列首的进程是否已被关闭,如果是的话直接出队检查下一个进程,直到找到一个有效的进程。由于内核进程是不可以被杀死的,因此进程队列永远不为空。
statues[pid] = NEW, *++top = pid;
关闭进程时将其pid
重新压回栈中,供下一次创建进程时分配。
当然,在当前版本的内核中检测键盘中断没有用多进程实现,因此在多进程运行的时候实际上是没有办法退回到内核的,也就是说这个关闭进程的功能虽然实现是正确的,但是暂时没办法去测试。等待后续版本实现多进程响应键盘中断之后吧。
save
和restart
过程
中断发生时,由 CPU 将标志寄存器flags
、代码段寄存器cs
、指令指针寄存器ip
依次压入堆栈(被中断的程序的堆栈);中断返回时(即执行iret
指令时),CPU 将堆栈中的指令指针寄存器ip
、代码段寄存器cs
、标志寄存器flags
依次弹出堆栈,并转到CS:IP
继续原程序的执行。照着文档,我读懂了老师提供的「现场保护」:save
过程(旧版)代码和现场恢复restart
过 程(旧版)代码。我计划schedule
过程由 C 实现,故save
过程只需将寄存器保存在外部变量(C 语言的变量), 然后restore
过程需要将外部变量还原到寄存器中。如此安排,schedule
过程要做的事情是:将 C 语言的变量保存到 A 进程控制块中,然后调度另一进程 B,将B
进程控制块中的寄存器写入 C 语言的变量。
call save
pusha
push ds
push es
push 0
call schedule
restart:
pop es
pop ds
popa
mov si,[qb]
mov es,word[si+12];es
mov ss,word[si+20];ss
mov ax,word[si+24];ax
mov bx,word[si+28];bx
mov cx,word[si+32];cx
mov dx,word[si+36];dx
mov di,word[si+40];di
mov bp,word[si+44];bp
mov sp,word[si+48];sp
push word[si+8]
push word[si+4]
push word[si]
push word[si+52]
push word[si+16];ds
pop ds
pop si
push ax
mov al,20h
out 20h,al
out 0A0h,al
pop ax
iret
save:
push ds
push cs
pop ds
pop word[save_ds]
pop word[save_cs]
mov word[save_si],si
mov si,word[qe]
pop word [si]
pop word [si+4]
pop word [si+8]
mov word [si+12],es
push word [save_ds]
pop word [si+16]
mov word[si+20],ss
mov word[si+24],ax
mov word[si+28],bx
mov word[si+32],cx
mov word[si+36],dx
mov word[si+40],di
mov word[si+44],bp
mov word[si+48],sp
push word[save_pid]
push word[save_si]
pop word[si+52]
pop word[si+56]
jmp word[save_cs]
这里保存变量直接保存在 C 代码中的队尾qe
,并在调度后从 C 代码中的队首qb
中取出变量恢复即可。
实验过程
实验代码
bootloader.asm
和上一个实验中的代码完全相同,不再放出。
kernel.asm
实现系统中断和时钟中断。
%macro setIVT 2
push es
push ds
push si
pusha
xor ax, ax
mov es, ax
mov ax, %1
mov bx, 4
mul bx
mov si, ax
mov ax, %2
mov [es:si], ax
add si, 2
mov ax, cs
mov [es:si], ax
popa
pop si
pop ds
pop es
%endmacro
bits 16
extern qb,qe,schedule,terminal,prgCall
global _start
_start:
setIVT 33,int33
setIVT 8,int8
push 0
call terminal
ret
int8:
cli
call save
pusha
push ds
push es
push 0
call schedule
restart:
pop es
pop ds
popa
mov si,[qb]
mov es,word[si+12];es
mov ss,word[si+20];ss
mov ax,word[si+24];ax
mov bx,word[si+28];bx
mov cx,word[si+32];cx
mov dx,word[si+36];dx
mov di,word[si+40];di
mov bp,word[si+44];bp
mov sp,word[si+48];sp
push word[si+8]
push word[si+4]
push word[si]
push word[si+52]
push word[si+16];ds
pop ds
pop si
push ax
mov al,20h
out 20h,al
out 0A0h,al
pop ax
sti
iret
save:
push ds
push cs
pop ds
pop word[save_ds]
pop word[save_cs]
mov word[save_si],si
mov si,word[qe]
pop word [si]
pop word [si+4]
pop word [si+8]
mov word [si+12],es
push word [save_ds]
pop word [si+16]
mov word[si+20],ss
mov word[si+24],ax
mov word[si+28],bx
mov word[si+32],cx
mov word[si+36],dx
mov word[si+40],di
mov word[si+44],bp
mov word[si+48],sp
push word[save_pid]
push word[save_si]
pop word[si+52]
pop word[si+56]
jmp word[save_cs]
int33:
cli
mov al,ah
xor ah,ah
push eax
push 0
call prgCall
pop eax
sti
iret
datadef:
save_cs dw 0
save_si dw 0
save_ds dw 0
save_pid dw 0
kernel.c
实现二状态进程调度功能,前面已经解释过了。
此外,修复了滚屏的时候有时会出现灰屏的问题(忘记给bh
寄存器赋值了)。
#define SCREEN_WIDTH 80
#define SCREEN_HEIGHT 25
#define BUF_LEN (SCREEN_WIDTH * SCREEN_HEIGHT)
#define PROGRAM_NUM 4
#define SCHEDULE_QUEUE_LEN 5
#define NEW 0
#define RUNNING 1
struct PCB
{
int ip, cs, es, ds, ss, di, si, bp, sp, ax, bx, cx, dx, flags, pid;
} q[SCHEDULE_QUEUE_LEN], *qb = q, *qe = q + 1;
int statues[SCHEDULE_QUEUE_LEN] = {RUNNING, NEW}, pidStack[SCHEDULE_QUEUE_LEN], *top = pidStack;
void schedule()
{
do
if (++qb == q + SCHEDULE_QUEUE_LEN)
qb = q;
while (statues[qb->pid] != RUNNING);
if (++qe == q + SCHEDULE_QUEUE_LEN)
qe = q;
}
const struct
{
const char *name, *size, *command;
int address;
} prg[PROGRAM_NUM] =
{{"prg1", " 156 bytes", "prg1", 1},
{"prg2", " 158 bytes", "prg2", 2},
{"prg3", " 168 bytes", "prg3", 3},
{"prg4", " 174 bytes", "prg4", 4}};
void loadProgram(int PrgSectorOffset, int UserPrgOffset)
{
asm("int 0x13"
:
: "a"(2 << 8 | 1), "b"(UserPrgOffset), "c"(PrgSectorOffset), "d"(1 << 8));
}
void call(int UserPrgOffset)
{
asm("call bx"
:
: "b"(UserPrgOffset));
}
void prgCall(int i)
{
loadProgram(prg[i].address, 0x0a100 + i * 0x100), call(0x0a100 + i * 0x100);
}
int getCursor()
{
int p;
asm("int 0x10"
: "=d"(p)
: "a"(0x0300), "b"(0));
return p;
}
void setCursor(int pos)
{
asm("int 0x10"
:
: "a"(0x0200), "b"(0), "d"(pos));
}
void pageUP(int p)
{
asm("push bx\n"
"mov bh,0\n"
"int 0x10\n"
"pop bx\n"
:
: "a"(1536 + p), "c"(0), "d"(0x184F));
}
void putC(int ch, int color)
{
asm("int 0x10"
:
: "a"(9 << 8 | ch), "b"(color), "c"(1));
}
int getch()
{
int ch;
asm("getch_loop:\n"
"mov ah, 0x01\n"
"int 0x16\n"
"jz getch_loop\n"
"mov ah, 0x00\n"
"int 0x16\n"
"xor ah, ah\n"
: "=a"(ch)
:);
return ch;
}
void putchar(char c)
{
int cur = getCursor(), curX = cur >> 8, curY = cur - (curX << 8);
if (c == '\r' || c == '\n')
{
if (++curX >= SCREEN_HEIGHT)
--curX, pageUP(1);
return setCursor(curX << 8);
}
putC(c, 0x07);
if (++curY >= SCREEN_WIDTH)
putchar('\n');
else
setCursor(curX << 8 | curY);
}
void gets(char *s)
{
for (;; ++s)
{
putchar(*s = getch());
if (*s == '\r' || *s == '\n')
break;
}
*s = 0;
}
void printf(const char *s)
{
for (; *s; ++s)
putchar(*s);
}
int strcmp(const char *s1, const char *s2)
{
while (*s1 && (*s1 == *s2))
++s1, ++s2;
return (int)*s1 - (int)*s2;
}
void terminal()
{
char str[BUF_LEN] = "$ ";
printf(str), gets(str);
const char
*CLEAR_COM = "clear",
*HELP_COM = "help",
*EXEC_COM = "exec",
*EXECPRO_COM = "execpro",
*EXIT_COM = "exit",
*KILL_COM = "kill",
*LS_COM = "ls",
*PS_COM = "ps";
if (!strcmp(str, CLEAR_COM))
pageUP(SCREEN_HEIGHT), setCursor(0);
else if (!strcmp(str, HELP_COM))
{
const char
*HELP_INFO =
"WuK-shell v0.0.3\n"
"These shell commands are defined internally.\n"
"Command Description\n"
"clear -- Clean the screen\n"
"help -- Show this list\n"
"exec -- Execute all the user programs\n"
"execpro -- Execute all the user programs by mutiprocess\n"
"exit -- Exit OS\n"
"kill -- kill process\n"
"ls -- Show existing programs\n"
"prg[num] -- Execute the num-th program\n"
"ps -- Show running programs with their pid\n";
printf(HELP_INFO);
}
else if (!strcmp(str, EXEC_COM))
for (int i = 0; i < PROGRAM_NUM; ++i)
prgCall(i);
else if (!strcmp(str, EXECPRO_COM))
for (int i = 0; i < PROGRAM_NUM; ++i)
{
if (top == pidStack)
for (int j = 1; j < SCHEDULE_QUEUE_LEN; ++j)
*++top = j;
qe->flags = 512;
qe->ip = 0x000;
qe->sp = qe->ip - 8;
qe->ss = qe->es = qe->ds = qe->cs = 0xa100 + i * 0x100;
loadProgram(prg[i].address, 0x0a100 + i * 0x100);
statues[qe->pid = *(top--)] = RUNNING;
if (++qe == q + SCHEDULE_QUEUE_LEN)
qe = q;
}
else if (!strcmp(str, EXIT_COM))
return pageUP(SCREEN_HEIGHT);
else if (!strcmp(str, KILL_COM))
{
const char *INFO = "Input the pid to kill: ";
printf(INFO);
gets(str);
int pid = str[0] - '0';
if (pid <= 0)
{
const char *INFO = "Can not kill process 0.\n";
printf(INFO);
}
else if (pid >= SCHEDULE_QUEUE_LEN || statues[pid] != RUNNING)
{
const char *INFO = "Invalid pid.\n";
printf(INFO);
}
else
statues[pid] = NEW, *++top = pid;
}
else if (!strcmp(str, LS_COM))
for (int i = 0; i < PROGRAM_NUM; ++i)
printf(prg[i].name), printf(prg[i].size), putchar('\n');
else if (!strcmp(str, PS_COM))
{
const char
*INFO = "pid statues\n",
*RUNNING_INFO = " RUNNING\n",
*NEW_INFO = " NEW\n";
printf(INFO);
for (int i = 0; i < SCHEDULE_QUEUE_LEN; ++i)
{
putchar('0' + i);
printf(statues[i] == RUNNING ? RUNNING_INFO : NEW_INFO);
}
}
else
for (int i = 0;; ++i)
{
if (i == PROGRAM_NUM)
{
printf(str);
const char
*COMM_NOT_FOUND =
" : command not found, type \'help\' for available commands list.\n";
printf(COMM_NOT_FOUND);
break;
}
if (!strcmp(str, prg[i].command))
{
asm("int 33" ::"a"(i << 8));
break;
}
}
terminal();
}
link.ld
将wukos.asm
和kernel.c
两个文件编译出来的内容连接起来。和上一个实验中的完全相同,不再放出。
prg1.asm~prg4.asm
由于多进程调用时会同时访问变量,因此每个用户程序需要重新维护自己的运行变量,而不能像之前一样通过系统调用提供唯一个入口了。
这里在实验二中实现的用户程序上修改、完善一下。
%macro print 5 ; string, length, x, y, color
pusha
push ax
push bx
push cx
push dx
push bp
push ds
push es
mov ax, 0b800H
mov gs, ax
mov ax, cs
mov ds, ax
mov bp, %1
mov ax, ds
mov es, ax
mov cx, %2
mov ax, 1300H
mov dh, %3
mov dl, %4
mov bx, %5
int 10H
pop es
pop ds
pop bp
pop dx
pop cx
pop bx
pop ax
popa
%endmacro
N equ 12 ;显示区域高度
M equ 32 ;显示区域宽度减去字符串长度
TOP equ 2 ;显示区域上端点
LEFT equ 40 ;显示区域左端点
LENGTH equ 8 ;字符串的长度
DELAY equ 99999999
org 0A100h
myLoop:
dec dword[count] ; 递减计数变量
jnz myLoop ; >0:跳转
mov dword[count], DELAY
mov word ax, [t] ; ax = t
mov word bx,2*N-2
xor dx, dx ; clear dx and prepare for division
div bx ; dx = t mod (2N - 2)
cmp dx, N ; compare dx and n
jb xok ; if (dx < n) jump xok
sub bx, dx
mov dx, bx ; dx = 2n - 2 - dx
xok:
mov word[x], dx
add word[x], TOP
mov word ax, [t]
mov word bx, 2*M-2
xor dx, dx
div bx
cmp dx, M
jb yok
sub bx, dx
mov dx, bx
yok:
mov word [y],dx
add word [y],LEFT
print message,LENGTH,[x],[y],07H
inc word[t]
mov word ax,[t]
cmp ax, 63
jne myLoop
ret
datadef:
count dd 1
t dw 0
x dw 1
y dw 0
message db ' wu-kan '
上面是 prg1.asm 的内容,其余同理,不再放出。
Makefile
和上一个实验完全相同,不再放出。
运行结果
输入prg4
,通过系统中断打开一个用户程序。可以看到系统中断服务仍然可以工作。
输入ps
,显示当前进程的状态。当前只有一个进程,即内核,在运行。
输入kill
后输入0
,杀掉 pid 为 0 的内核。可以看到无法杀掉内核进程。
输入execpro
,多进程的打开四个用户程序。可以看到,成功文体四开花了,而且四个象限的运行速度不一样。
实验总结
这次实验让我深入了解了多进程时间片轮转的工作原理。原理很简单,就是save
,schedule
和restart
,但实现起来可不简单。
在save
过程和restart
过程中,最容易出错是栈。当前栈内元素是什么,这个一定要非常清楚。当使用call
操作和ret
操作时,会修改堆栈。所以应尽量避免使用call
和ret
操作,避免出错。另外,ss
和sp
的保存时机也是非常关键的。ss
和sp
必须在最后保存,这样做是为了保存弹出flags
,cs
,ip
之后的栈指针。
在schedule
过程中,更容易在栈的问题上出错。schedule
的栈要与kernel
的栈以及用户程序的栈都不一样,否则会覆盖原有的数据。一旦踩进这个坑,就很难跳出来,因为你会发现寄存器之类的全部都是对的,只有栈内元素是错的。
另外在汇编代码调用 C 函数之前要push 0
,传参数的时候也有很多细节,感谢我的室友添伦大哥对我的帮助!