linux 0.11

linux-0.11

理論課：https://www.bilibili.com/video/BV1d4411v7u7

有用的參考資料（ linux-0.11註釋版）：https://github.com/beride/linux0.11-1

main branch為linux-0.11源碼

代碼差異查看：Pull request 選擇對應分支與main 進行比較即可

✔️ lab0 操作系統的引導（branch lab0）

1. 改寫bootsect.s 主要完成如下功能：

   • bootsect.s 能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting...”。

2. 改寫setup.s 主要完成如下功能：

   • bootsect.s 能完成setup.s 的載入，並跳轉到setup.s 開始地址執行。而setup.s 向屏幕輸出一行"Now we are in SETUP"。 setup.s 能獲取至少一個基本的硬件參數（如內存參數、顯卡參數、硬盤參數等），將其存放在內存的特定地址，並輸出到屏幕上。 setup.s 不再加載Linux 內核，保持上述信息顯示在屏幕上即可。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/568/document/

✔️ lab1 實現系統調用（branch lab1）

1. 在kernel/system_call.s 修改系統調用總數為74。
2. 在include/unistd.h 中添加宏，指明調用函數表定位。
3. 在include/linux/sys.h 中寫入兩個函數（sys_iam, sys_whoami）函數定義。並在其後的函數表增加兩個新函數。
4. 新增kernel/who.c 實現兩個系統調用。
5. 修改makefile
   • OBJS 增加who的依賴（who.o）
   • Dependencies中增加who.s 和who.o的依賴產生條件
6. make 執行./run 進入linux子系統，在/usr/include/unistd.h中增加iam 和whoami 的宏定義（同第2點）。
7. 在用戶態編寫測試程序測試是否成功。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/569/document/

✔️ lab2 實現進程運行軌蹟的跟踪（branch lab2）

1. process.c 實現了模擬cpu計算以及io計算混合的場景，並採用多進程的方式運行。
2. 將內核進程切換的幾個狀態進行打印輸出（pid status time）到/var/process.log。
3. 在init/main 中的init()函數進入用戶態語句後，將文件描述符3關聯到/var/process.log。
4. 在kernel/printk 中實現fprintk()函數，以打印輸出到process.log日誌。
5. 尋找狀態切換點，並加入fprintk()寫日誌。
   • 進程開始kernel/system_call.s -> sys_fork (call copy_process)
   • 運行、阻塞態切換kernel/sched.c -> schedule sys_pause sleep_on interruptible_sleep_on wake_up
   • 退出kernel/exit.c -> do_exit sys_waitpid
6. 注意：linux-0.11 中gcc 不可以編譯// 註釋。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/570/document/

✔️ lab3 替換linux0.11原有的tss進程切換為堆棧切換（branch lab3）

原切換方式是通過tss，相當於是寄存器的快照，通過intel提供的指令直接進行現場替換，速度較慢。堆棧切換的效率更高。

kernel/sched.c

1. 原switch_to方法基於tss切換，我們要在頭文件將其註釋掉。
2. 新switch_to，需要兩個參數（1：下一個pcb的指針2：下一個任務在數組中的位置用於切換LDT）。

kernel/system_call.s

1. 編寫switch_to 彙編實現
2. pcb的切換
3. 重寫tss內核棧位置（此時保留tss，但全局只有一個tss，不利用它來做進程切換。）
4. 切換內核棧
5. LDT的切換

kernel/fork.c

1. 將pcb中tss的設置註銷掉。
2. 在pcb中加入新的成員變量—— kernel stack，用於存儲內核棧信息。
3. 將棧信息寫入此處，並讓pcb該成員變量指向該指針。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/571/document/

參考：https://blog.csdn.net/qq_42518941/article/details/119182097

✔️ lab4 在linux0.11實現信號量系統調用（branch lab4）

前置重點知識點

1. kernal/sched.c sleep_on 傳入等待隊列隊首，將current置為阻塞態，主動執行調度schedule()。 tmp存儲原阻塞隊列，當被喚醒時，將阻塞隊列全部置為Runnable。
2. kernal/sched.c wake_up 喚醒所有被阻塞的pcb，程序中只能看到喚醒隊首，但要結合sleep_on讀，一旦結合就會發現，頭被喚醒會使後續全部喚醒。

編寫應用程序“pc.c”，解決經典的生產者—消費者問題，完成下面的功能：

• 建立一個生產者進程，N 個消費者進程（N>1）
• 用文件建立一個共享緩衝區
• 生產者進程依次向緩衝區寫入整數0,1,2,…,M，M>=500
• 消費者進程從緩衝區讀數，每次讀一個，並將讀出的數字從緩衝區刪除，然後將本進程ID 和+ 數字輸出到標準輸出
• 緩衝區同時最多只能保存10 個數

實現信號量

 sem_t * sem_open ( const char * name , unsigned int value );
int sem_wait ( sem_t * sem );
int sem_post ( sem_t * sem );
int sem_unlink ( const char * name );

• sem_open打開一個信號量
• 信號量減一如果當前等於零則阻塞進程
• 信號量加一
• 關閉一個信號量

wait 與post 的重點

• wait
  • 調用kernal/sched.c sleep_on 進行等待阻塞
  • 利用關中斷（linux0.11 單核）做到保護臨界區
  • 對sem 的value 減一
• post
  • 對sem 的value 加一，如果value 大於0則調用kernal/sched.c wake_up 喚醒被此信號量阻塞的進程
  • 利用關中斷（linux0.11 單核）做到保護臨界區

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/572/document/

✔️ lab5 地址的映射與共享（branch lab5）

邏輯地址-> GDT -> LDT -> 頁表-> 物理地址

訪存理論知識

段選擇子

由GDTR 訪問全局描述符表是通過“段選擇子”（實模式下的段寄存器）完成的

15 3 2 1 0

| index | | RPL |

• 3-15 為描述符索引, 表示所需要的段的描述符在描述符表的位置。
• 2 為指示選擇子在GDT 選擇還是在LDT選擇(0 代表GDT 1 代表LDT)。
• 0-1 為選擇特權級。

段選擇子包括三部分：描述符索引（index）、TI、請求特權級（RPL）。它的index（描述符索引）部分錶示所需要的段的描述符在描述符表的位置，由這個位置再根據在GDTR中存儲的描述符表基址就可以找到相應的描述符。然後用描述符表中的段基址加上邏輯地址（SEL:OFFSET）的OFFSET就可以轉換成線性地址，段選擇子中的TI值只有一位0或1，0代表選擇子是在GDT選擇，1代表選擇子是在LDT選擇。請求特權級（RPL）則代表選擇子的特權級，共有4個特權級（0級、1級、2級、3級）。

關於特權級的說明：任務中的每一個段都有一個特定的級別。每當一個程序試圖訪問某一個段時，就將該程序所擁有的特權級與要訪問的特權級進行比較，以決定能否訪問該段。系統約定，CPU 只能訪問同一特權級或級別較低特權級的段。

例如給出邏輯地址：21h:12345678h轉換為線性地址

a. 選擇子SEL = 21h = 0000000000100 0 01(b) 代表的意思是：選擇子的index=4即0100，選擇GDT 中的第4個描述符；TI=0 代表選擇子是在GDT 選擇；最後的01代表特權級RPL=1。

b. OFFSET=12345678h若此時GDT 第四個描述符中描述的段基址為11111111h，則線性地址= 11111111h + 12345678h = 23456789h。

訪問GDT

1. 先從GDTR 寄存器中獲得GDT 基址。
2. 然後在GDT 中以段選擇器高13位位置索引值得到段描述符。
3. 獲取基址，加上偏移量獲得線性地址。

訪問LDT

1. 先從GDTR 寄存器中獲得GDT 基址。
2. 從LDTR 寄存器中獲取LDT 所在段的位置索引(LDTR 高13位)。
3. 以這個位置索引在GDT 中得到LDT 段描述符從而得到LDT 段基址。
4. 用段選擇器高13位位置索引值從LDT 段中得到段描述符。
5. 獲取基址，加上偏移量獲得線性地址。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/573/document/

✔️ lab6 終端設備的控制（branch lab6）

1. 鍵盤中斷發生時，取出鍵盤掃描碼根據key_table 表進行掃描碼處理。
2. 完成F12 鍵對應的函數編寫。
3. 處理完畢後將有對應掃描碼的字符放入put_queue。
4. 調用do_tty_interrupt 進行最後的處理，其中copy_to_cooked 做最後的預處理，然後調用con_write 輸出到顯卡。
5. write -> sys_write -> tty_write -> con_write。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/574/document/

✔️ lab7 proc文件系統的實現（branch lab7）

理論知識

磁碟

對機械磁盤的讀寫需要三個參數進行定位

1. 柱面（C）
2. 磁頭（H）
3. 扇區（S）

 block = C * ( H * S ) + H * S + S ;

將幾個扇區劃分為一個block來提升磁盤io效率（linux0.11 將2個扇區劃分為一個block）對於更上層的角度而言，只需要輸入讀寫的block號即可進行磁盤io。

劃分： 引導塊| 超級塊| inode位圖| 數據位圖| inode塊| 數據塊

文件

用FCB（linux0.11 中的inode）來存儲文件信息，其中包括不同種類的文件（例：設備文件，目錄文件...）。

 struct m_inode 
 { 
 unsigned short i_mode ;      // 文件类型和属性(rwx 位)。 
 unsigned short i_uid ;       // 用户id（文件拥有者标识符）。 
 unsigned long i_size ;       // 文件大小（字节数）。 
 unsigned long i_mtime ;      // 修改时间（自1970.1.1:0 算起，秒）。 
 unsigned char i_gid ;        // 组id(文件拥有者所在的组)。 
 unsigned char i_nlinks ;     // 文件目录项链接数。 
 unsigned short i_zone [ 9 ];   // 直接(0-6)、间接(7)或双重间接(8)逻辑块号。 
 /* these are in memory also */ 
 struct task_struct * i_wait ; // 等待该i 节点的进程。 
 unsigned long i_atime ;      // 最后访问时间。 
 unsigned long i_ctime ;      // i 节点自身修改时间。 
 unsigned short i_dev ;       // i 节点所在的设备号。 
 unsigned short i_num ;       // i 节点号。 
 unsigned short i_count ;     // i 节点被使用的次数，0 表示该i 节点空闲。 
 unsigned char i_lock ;       // 锁定标志。 
 unsigned char i_dirt ;       // 已修改(脏)标志。 
 unsigned char i_pipe ;       // 管道标志。 
 unsigned char i_mount ;      // 安装标志。 
 unsigned char i_seek ;       // 搜寻标志(lseek 时)。 
 unsigned char i_update ;     // 更新标志。 
 }; 

inode裡存放著文件在磁盤中的block 號，以及其他的一些文件描述信息。可以存在多級的盤塊位置引導，分為直接索引、間接索引獲得block 位置。

目錄

根據目錄inode 找到對應數據盤塊號中的數據，其中有該目錄下存在子目錄的inode 盤塊號。一層一層查找下去就可以找到最終目標目錄的位置。

實驗指導書：https://www.lanqiao.cn/courses/115/labs/575/document/