GeekOS课程设计-Project 0

Dear 丶 2022-10-13 12:37 253阅读 0赞

### Project 0 ###

*   *  1、实验任务
     *  2、实验原理
     *  3、具体实现
     *   *  1. 编辑main.c文件
         *  2. 编辑.bochsrc文件
         *  3. 编辑Makefile文件
     *  4、运行结果
     *  5、课后作业
     *  感谢阅读

[源代码链接][Link 1]

## 1、实验任务 ##

编程实现一个内核进程。该进程的功能是：接收键盘输入的字符并显示到屏幕上，当输入ctrl+d时，结束进程的运行。

## 2、实验原理 ##

编写一个C语言函数，函数功能是：接受键盘输入的数据，并将键值在显示器显示出来，当输入“ctrl+d”就退出；在main函数体内调用Start\_Kernel\_Thread函数，将步骤一编写的函数地址传递给参数startFunc，利用Setup\_Kernel\_Thread函数建立一个待运行的线程。在Linux环境下编译系统得到GeekOS镜像文件；通过bochs运行GeekOS系统显示结果。对于内核级线程，其结构体定义如下：

struct Kernel_Thread { 
    	unsigned long esp;
    	volatile unsigned long numTicks;
    	int priority;
    	DEFINE_LINK( Thread_Queue, Kernel_Thread );
    	void* stackPage;
    	struct User_Context* userContext;
    	struct Kernel_Thread* owner;
    	int refCount;
    	Boolean alive;
    	struct Mutex joinLock;
    	struct Condition joinCond;
    };

其中，esp字段用来存放一个线程挂起的堆栈指针；stackPage 字段指向内核线程的堆栈页面。numTickspriority 分别被调度程序用来实现基于先占权和基于优先权的时间片调度。DEFINE\_LINK 宏定义一个内核线程在线程队列上时的前一个和后一个字段。 userContext字段如果不为空，则指向一个线程用户环境，它是一个允许线程执行用户模式的代码和数据的组合段。其余字段用来实现Join()函数，该函数允许父线程等待子线程退出。了解完内核线程结构我们就可以开始来创建一个内核级线程，通过调用 Start\_Kernel\_Thread()可以生成一个内核线程，它的形式如下：

Start_Kernel_Thread(
    	Thread_Start_Func startFunc,
    	ulong_t arg,
    	int prority,
    	bool detached
    );

其中 startFunc是一个函数指针，指向内核线程入口的函数体；arg是传递给入口函数的参数；prority是此线程运行的特权级别，detached表示是否将当前的线程与生成的新线程之间建立父子关系，这里我们要创建的是一个内核级的线程，所以应该要为true，这样就不会去Main线程与其余内核线程间的父子关系。内核线程创建流程如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NDEzNDk4_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

project0的目标很简单，首先创建一个内核模式线程，该线程要能够打印"Welcome to GeekOS!"，而且还能重复调用Wait\_For\_Key接收键盘输入并且在屏幕上回显该字符，直到接收到终止符(control-d)子程序。这个任务所需要的代码量很少，只是为了熟悉环境而准备。该修改的代码都放在src/geekos/main.c目录下的Main()函数中。  
  内核线程有两种方式创建。在内核里独立运行的线程可以通过进程开始函数Start\_Kernel\_Thread()函数来创建，该函数通过一个指针指向一个执行线程体的启动函数。线程所执行的用户模式的程序由Start\_User\_Thread()函数创建，并且用一指针指向一个用户环境和用户环境内存中代码入口点的地址。调用Exit()函数销毁内核线程。GeekOS系统内核线程创建流程如下：  
![GeekOS系统内核线程创建流程][GeekOS]

## 3、具体实现 ##

GeekOS处理键盘是通过keyboard.c里面提供了Wait\_For\_Key(void)函数，它的作用是等待一个键盘事件，然后返回一个16位的Keycode型数据，即用户按下的键值。其中，低10位表示键盘值,通过s\_scanTableNoShift和s\_scanTableWithShift这两个数组来转换相应的键盘码为所表示字符的 ASCII 码,高六位分别是:

KEY_SPECIAL_FLAG (特殊键,比如 F1,F2)		0x0100
    KEY_KEYPAD_FLAG (小键盘键)           	0x0200
    KEY_SHIFT_FLAG (左,右 SHIFT)           	0x1000
    KEY_ALT_FLAG (左,右 ALT)               	0x2000
    KEY_CTRL_FLAG (左,右 CTRL)            	0x4000
    KEY_RELEASE_FLAG (键弹起来标志位)     	0x8000

`key&0x0100`判断是否按下特殊健,1 为有效,说明是特殊健,0 则不是。其它类同。

### 1. 编辑main.c文件 ###

/* * GeekOS C code entry point * Copyright (c) 2001,2003,2004 David H. Hovemeyer <daveho@cs.umd.edu> * Copyright (c) 2003, Jeffrey K. Hollingsworth <hollings@cs.umd.edu> * Copyright (c) 2004, Iulian Neamtiu <neamtiu@cs.umd.edu> * $Revision: 1.51 $ * * This is free software. You are permitted to use, * redistribute, and modify it as specified in the file "COPYING". */
    #include <geekos/bootinfo.h>
    #include <geekos/string.h>
    #include <geekos/screen.h>
    #include <geekos/mem.h>
    #include <geekos/crc32.h>
    #include <geekos/tss.h>
    #include <geekos/int.h>
    #include <geekos/kthread.h>
    #include <geekos/trap.h>
    #include <geekos/timer.h>
    #include <geekos/keyboard.h>
    void project0()
    { 
        Print("Please input Ctrl + d to exit.\n");
        Keycode key;
        while(1)
        { 
            if(Read_Key(&key))	
            { 
                if(!((key & KEY_SPECIAL_FLAG) || (key & KEY_RELEASE_FLAG)))		//排除特殊键或弹起
                { 
                    int asciiCode = key & 0xff;	//取后8为ascii码
                    if((key & KEY_CTRL_FLAG)==KEY_CTRL_FLAG && asciiCode=='d')	//ctrl标志位为1且后8位ascii码为'd'，即ctrl＋d
                    { 
                        Print("\n---------exit!---------\n");
                        Exit(0);
                    }
                    else
                    { 
                        Print("%c",asciiCode=='\r' ? '\n' : asciiCode);  		//打印字符
                    }
                }
            }
        }
    }
    /* * Kernel C code entry point. * Initializes kernel subsystems, mounts filesystems, * and spawns init process. */
    void Main(struct Boot_Info* bootInfo)
    { 
        Init_BSS();
        Init_Screen();
        Init_Mem(bootInfo);
        Init_CRC32();
        Init_TSS();
        Init_Interrupts();
        Init_Scheduler();
        Init_Traps();
        Init_Timer();
        Init_Keyboard();
        Set_Current_Attr(ATTRIB(BLACK, GREEN|BRIGHT));
        Print("Welcome to GeekOS!\n");
        Set_Current_Attr(ATTRIB(BLACK, GRAY));
        struct Kernel_Thread *thread;
        thread = Start_Kernel_Thread(&project0,0,PRIORITY_NORMAL,false);  //创建内核级进程
        Exit(0);
    }

### 2. 编辑.bochsrc文件 ###

romimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
    megs: 8
    boot: a
    floppya: 1_44=fd.img, status=inserted
    log: ./bochs.out
    keyboard_serial_delay: 200
    vga_update_interval: 300000
    mouse: enabled=0
    private_colormap: enabled=0
    i440fxsupport: enabled=0

### 3. 编辑Makefile文件 ###

TARGET_CC := $(TARGET_CC_PREFIX)gcc -m32
    HOST_CC := gcc -m32
    TARGET_LD := $(TARGET_CC_PREFIX)ld -m elf_i386
    GENERAL_OPTS := -O -Wall -fno-stack-protector $(EXTRA_C_OPTS)
    CC_GENERAL_OPTS := $(GENERAL_OPTS) #-Werror

## 4、运行结果 ##

make clean && make depend && make
    bochs

![在这里插入图片描述][20210706234603227.gif_pic_center]

## 5、课后作业 ##

**1.GeekOS系统内核是如何编译？**

答：需提前安装GNU gcc编译器，用来编译C语言程序代码，NASM汇编器用来编译汇编语言程序代码。编译GeekOS源代码通过build目录下的Makefile文件来编译，其中已经写好了编译规则，使用make命令编译。（make depend扫描目录，判断依赖关系）

**2.GeekOS系统内核编译的结果是什么？**

答：GeekOS内核编译后,在build目录下会生成一个软盘镜像文件fd.img。

**3.如何设置运行GeekOS系统的计算机环境？**

答：安装Bochs PC模拟器，用来模拟运行GeekOS系统。

**4.如何运行GeekOS系统内核？**

答：使用Bochs模拟器模拟来运行Geekos系统内核，需要编写配置文件.bochsrc配置相应信息后使用bochs命令启动Bochs模拟器运行GeekOS编译生成的镜像(fd.img)。

**5.GeekOS系统是如何创建键盘管理进程？**

Init\_Keyboard()函数:初始化键盘输入,包括初始化键盘缓冲区队列,初始化键盘中断处理函数,最后开启键盘中断。

void Init_Keyboard(void)
    { 
        ushort_t irqMask;
        Print("Initializing keyboard...\n");
        s_shiftState = 0;/* 开始时不启用shift键 */
        s_queueHead = s_queueTail = 0;/* 初始缓冲区为空 */
        Install_IRQ(KB_IRQ, Keyboard_Interrupt_Handler);/* 安装中断处理程序 */
        irqMask = Get_IRQ_Mask();/* 启用IRQ1(键盘) */
        irqMask &= ~(1 << KB_IRQ);
        Set_IRQ_Mask(irqMask);
    }

**6.简述计算机系统的启动流程**

*  在Bochs开始运行系统后,首先会自动检测启动设备。
 *  设备检测无异常往下执行，因为软盘首扇区最后一个字在编译时是写入**55AA**数据,而Bochs被配置为从软盘启动,这样Bochs得以成功地检测到GeekOS的启动软盘.之后Bochs就会像一台真正的计算机一样。
 *  导入软盘的首扇区数据到从内存地址**0x7c00**开始的一块内存区,之后跳转到这个地址,开始执行这段首扇区内的程序代码.首扇区内的代码是由位于/src/geekos目录中的fd\_boot.asm编译生成的引导程序.这段汇编程序完成搜索并装载软盘中的GeekOS内核二进制文件的功能
 *  在装载完毕后,装载程序执行段间跳转,转入程序Setup(/src/geekos目录中的setup.asm编译生成)继续执行.Setup程序完成装载临时GDT,IDT描述符,打开A20地址线,初始化PIC中断控制器,最后由实模式跳入保护模式.完成了实模式向保护模式的转换之后,Setup跳转到内核ENTRY\_POINT入口点.至此,GeekOS的引导过程结束,内核初始化过程开始。
 *  GeekOS的内核入口点ENTRY\_POINT指向的是内核Main函数的函数入口,在编译时完成对ENTRY\_POINT的初始化.Main函数在src/src/geekos/main.c中实现.Main函数通过调用内核各模块的初始化函数来完成系统内核的初始化。

## 感谢阅读 ##

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