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💭 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）

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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 中 Makefile

• 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 命令的结果？

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  。

 这就是为什么我们看不到 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 USERPROGprocess_wait (process_execute(task));
#elserun_test(test);
#endifprintf("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  中提供了系统调用的用户级接口。

在 userprog/syscall.c  中提供了系统调用处理器的骨架。

Pintos 中的系统调用程序

• 用户程序调用系统调用的函数

#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  指令调用系统调用的中断

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;                                                       \} )

• 为了能够中断，设置栈并调用中断处理程序

.func intr_entry
intr_entry:/* 保存调用者的寄存器 */pushl %dspushl %espushl %fspushl %gspushal/* 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, %dsmov %eax, %esleal 56(%esp), %edp     // 设置框架指针/* 调用中断处理程序 */push %esp
.glovl intr_handlercall intr_handler       // Call interrupt handlerandl $4, %esp
.endfunc

 *  source 代码位置： threads/intr-stubs.S

• intr_handler()   调用中断处理程序

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：

1. main() in 'threads/init.c' calls syscall_init() which is in 'userprog/syscall.c'
2. 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EBXunit32_t edx;       // 保存EDXunit32_t ecx;       // 保存ECXunit32_t eax;       // 保存EAXvoid* esp;          // 保存栈指针uint16_t ss, :16;   // esp的数据段
};

 

需要修改的：  syscall.c   process.c

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📌 [ 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/.