文章目录
- 前言
- 前置知识
- 实验操作
- 实验一
- 实验二
- 实验三
- 实验四
- 实验五
前言
博客记录《操作系统真象还原》第十章实验的操作~
实验环境:ubuntu18.04+VMware , Bochs下载安装
实验内容:
- 添加关中断的方式保证原子性。
- 用锁实现终端输出。
- 从键盘获取输入。
- 实现键盘驱动软件。
- 添加键盘输入缓冲区。
前置知识
同步机制-锁
术语简介
-
公共资源: 可以是公共内存、公共文件、公共硬件等,是被所有任务共享的一套资源。
-
临界区: 访问公共资源的代码区域,临界区的代码只允许一个线程访问。强调!临界区是指程序中那些访问公共资源的指令代码,即临界区是指令。
-
互斥:任意时刻访问公共资源只允许一个线程访问,即任意时刻访问公共资源的临界区代码中只允许被一个线程所执行。
-
竞争条件:竞争条件指多个线程或者进程在读写一个共享数据时,结果依赖于它们执行的相对时间的情形。
【✔总结】
多线程访问公共资源时出问题的原因是产生了竞争条件,也就是多个任务同时出现在自己的临界区。为避免产生竞争条件,必须保证任意时刻只能有一个任务处于临界区。因此,只要保证各线程自己临界区中的所有代码都是原子操作,即临界区中的指令要么一条不做,要么一气呵成全部执行完,执行期间绝对不能被换下处理器。
信号量
信号量是锁的具体实现方式。
信号量是个 0 以上的整数值。当为 0 时表示已无可用信号,大于 0 表示可用的信号量的数量。
信号量就是个计数器, OS 用 P、V 操作来表示信号量的减、增。
- P:Probern,表示减少。
- V:Verhogen,表示增加。
V 操作包含两个微操作:
- 将信号量加一。
- 唤醒在此信号量上等待的线程。
P 操作包含三个微操作:
- 判断信号量是否大于0。
- 若信号量大于 0,则将信号量减 1。
- 若信号量等于 0,当前线程将自己阻塞,以在信号量上等待。
信号量的初值代表的是信号资源的剩余量,若初值为 1,则它的取值只能是 0 和 1,这便是二元信号量。
我们可以让线程通过锁进入临界区,可以借此保证只有一个线程可以进入临界区,从而做到互斥。
流程如下:
-
在二元信号量中,P 操作就是获取锁,V 操作就是释放锁。
-
线程 A 进入临界区前先通过 P 操作得到锁,此时信号量为 0。
-
后续线程 B 再进入临界区也需要先通过 P 操作得到锁,由于此时信号量为 0,线程 B 便会阻塞到此信号量上,即该线程进入休眠状态。
-
当线程 A 从临界区出来后执行 V 操作释放锁,此时信号量重新变回 1,之后线程 A 将线程 B 唤醒。
【补充】阻塞是主动的,唤醒是被动的。
键盘输入原理
键盘的内部有个叫作键盘编码器的芯片(通常是Intel 8048 或兼容芯片)。该芯片的作用是告诉键盘控制器(在主板上)哪个键被操作了。
键盘控制器的作用是接收来自键盘编码器的按键信息,将其解码后保存,然后向中断代理发中断,之后处理器执行相应的中断处理程序读入 8042 处理保存过的按键信息。
环形缓冲输入区
实验操作
实验一
接着这篇博客 实现内核线程
本实验 通过修改 mian.c 文件添加关中断的方式保证原子性。
#include "../lib/kernel/print.h"
#include "init.h"
#include "../thread/thread.h"
#include "../kernel/interrupt.h"
void k_thread_a(void*);
void k_thread_b(void*);
int main(void) {
put_str("I am kernel\n");
init_all();
thread_start("k_thread_a", 31, k_thread_a, "argA ");
thread_start("k_thread_b", 8, k_thread_b, "argB ");
intr_enable(); // 打开中断,使时钟中断起作用
while(1) {
intr_disable(); // 关中断
put_str("Main ");
intr_enable(); // 开中断
};
return 0;
}
/* 在线程中运行的函数 */
void k_thread_a(void* arg) {
/* 用void*来通用表示参数,被调用的函数知道自己需要什么类型的参数,自己转换再用 */
char* para = arg;
while(1) {
intr_disable(); // 关中断
put_str(para);
intr_enable(); // 开中断
}
}
/* 在线程中运行的函数 */
void k_thread_b(void* arg) {
/* 用void*来通用表示参数,被调用的函数知道自己需要什么类型的参数,自己转换再用 */
char* para = arg;
while(1) {
intr_disable(); // 关中断
put_str(para);
intr_enable(); // 开中断
}
}
实验二
修改 thread.c , thread.h。
新建 sync.c , sync.h 实现同步信号机制和锁。
新建 console.c,console.h 对锁操作进行封装。
修改init.c以及main.c
makefile文件
BUILD_DIR = ./build
ENTRY_POINT = 0xc0001500
AS = nasm
CC = gcc
LD = ld
LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/
ASFLAGS = -f elf
CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
LDFLAGS = -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \
$(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/switch.o \
$(BUILD_DIR)/debug.o $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o \
$(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o $(BUILD_DIR)/list.o \
$(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o
############## c代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/init.h lib/string.h kernel/memory.h \
thread/thread.h kernel/interrupt.h device/console.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h kernel/memory.h \
thread/thread.h device/console.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \
lib/stdint.h kernel/global.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h \
kernel/interrupt.h thread/thread.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \
lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/string.o: lib/string.c lib/string.h \
kernel/debug.h kernel/global.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/memory.o: kernel/memory.c kernel/memory.h \
lib/stdint.h lib/kernel/bitmap.h kernel/debug.h lib/string.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/bitmap.o: lib/kernel/bitmap.c lib/kernel/bitmap.h kernel/global.h \
lib/string.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/thread.o: thread/thread.c thread/thread.h \
lib/stdint.h lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h \
kernel/debug.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/list.o: lib/kernel/list.c lib/kernel/list.h \
kernel/interrupt.h lib/stdint.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/sync.o: thread/sync.c thread/sync.h \
lib/stdint.h thread/thread.h kernel/debug.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/console.o: device/console.c device/console.h \
lib/kernel/print.h thread/sync.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
############## 汇编代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/switch.o: thread/switch.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
############## 链接所有目标文件 #############
$(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@
.PHONY : mk_dir hd clean all
mk_dir:
if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fi
hd:
dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \
of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img \
bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
clean:
cd $(BUILD_DIR) && rm -f ./*
build: $(BUILD_DIR)/kernel.bin
all: mk_dir build hd
make all
这里需要根据make all
的报错修改导入库的路径(使用相对路径)
然后启动Bochs
sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk
实验三
修改kernel.S
,interrupt.c
编写keyboard.c
,keyboard.h
修改main.c
,init.c
(注意:修改thread.h库 <…/thread/thread.h>)
makefile 文件
BUILD_DIR = ./build
ENTRY_POINT = 0xc0001500
AS = nasm
CC = gcc
LD = ld
LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/
ASFLAGS = -f elf
CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
LDFLAGS = -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \
$(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/switch.o \
$(BUILD_DIR)/debug.o $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o \
$(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o $(BUILD_DIR)/list.o \
$(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o $(BUILD_DIR)/keyboard.o
############## c代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/init.h lib/string.h kernel/memory.h \
thread/thread.h kernel/interrupt.h device/console.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h kernel/memory.h \
thread/thread.h device/console.h device/keyboard.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \
lib/stdint.h kernel/global.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h \
kernel/interrupt.h thread/thread.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \
lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/string.o: lib/string.c lib/string.h \
kernel/debug.h kernel/global.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/memory.o: kernel/memory.c kernel/memory.h \
lib/stdint.h lib/kernel/bitmap.h kernel/debug.h lib/string.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/bitmap.o: lib/kernel/bitmap.c lib/kernel/bitmap.h kernel/global.h \
lib/string.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/thread.o: thread/thread.c thread/thread.h \
lib/stdint.h lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h \
kernel/debug.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/list.o: lib/kernel/list.c lib/kernel/list.h \
kernel/interrupt.h lib/stdint.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/sync.o: thread/sync.c thread/sync.h \
lib/stdint.h thread/thread.h kernel/debug.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/console.o: device/console.c device/console.h \
lib/kernel/print.h thread/sync.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/keyboard.o: device/keyboard.c device/keyboard.h \
lib/kernel/print.h lib/kernel/io.h kernel/interrupt.h \
kernel/global.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
############## 汇编代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/switch.o: thread/switch.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
############## 链接所有目标文件 #############
$(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@
.PHONY : mk_dir hd clean all
mk_dir:
if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fi
hd:
dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \
of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img \
bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
clean:
cd $(BUILD_DIR) && rm -f ./*
build: $(BUILD_DIR)/kernel.bin
all: mk_dir build hd
make all
sudo bin/bochs -f boot/bochsrc.disk
实验四
修改 keyboard.c
实验五
添加ioqueue.h
,ioqueue.c
(环形缓冲区及其方法定义)
修改keyboard.c
makefile
BUILD_DIR = ./build
ENTRY_POINT = 0xc0001500
AS = nasm
CC = gcc
LD = ld
LIB = -I lib/ -I lib/kernel/ -I lib/user/ -I kernel/ -I device/
ASFLAGS = -f elf
CFLAGS = -Wall -m32 -fno-stack-protector $(LIB) -c -fno-builtin -W -Wstrict-prototypes -Wmissing-prototypes
LDFLAGS = -m elf_i386 -Ttext $(ENTRY_POINT) -e main -Map $(BUILD_DIR)/kernel.map
OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \
$(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/switch.o \
$(BUILD_DIR)/debug.o $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o \
$(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o $(BUILD_DIR)/list.o \
$(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o $(BUILD_DIR)/keyboard.o \
$(BUILD_DIR)/ioqueue.o
############## c代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/main.o: kernel/main.c lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/init.h lib/string.h kernel/memory.h \
thread/thread.h kernel/interrupt.h device/console.h \
device/keyboard.h device/ioqueue.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c kernel/init.h lib/kernel/print.h \
lib/stdint.h kernel/interrupt.h device/timer.h kernel/memory.h \
thread/thread.h device/console.h device/keyboard.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/interrupt.o: kernel/interrupt.c kernel/interrupt.h \
lib/stdint.h kernel/global.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/timer.o: device/timer.c device/timer.h lib/kernel/io.h lib/kernel/print.h \
kernel/interrupt.h thread/thread.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/debug.o: kernel/debug.c kernel/debug.h \
lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/string.o: lib/string.c lib/string.h \
kernel/debug.h kernel/global.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/memory.o: kernel/memory.c kernel/memory.h \
lib/stdint.h lib/kernel/bitmap.h kernel/debug.h lib/string.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/bitmap.o: lib/kernel/bitmap.c lib/kernel/bitmap.h kernel/global.h \
lib/string.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/thread.o: thread/thread.c thread/thread.h \
lib/stdint.h lib/string.h kernel/global.h kernel/memory.h \
kernel/debug.h kernel/interrupt.h lib/kernel/print.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/list.o: lib/kernel/list.c lib/kernel/list.h \
kernel/interrupt.h lib/stdint.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/sync.o: thread/sync.c thread/sync.h \
lib/stdint.h thread/thread.h kernel/debug.h kernel/interrupt.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/console.o: device/console.c device/console.h \
lib/kernel/print.h thread/sync.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/keyboard.o: device/keyboard.c device/keyboard.h \
lib/kernel/print.h lib/kernel/io.h kernel/interrupt.h \
kernel/global.h lib/stdint.h device/ioqueue.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/ioqueue.o: device/ioqueue.c device/ioqueue.h \
kernel/interrupt.h kernel/global.h kernel/debug.h
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
############## 汇编代码编译 ###############
$(BUILD_DIR)/kernel.o: kernel/kernel.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/print.o: lib/kernel/print.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/switch.o: thread/switch.S
$(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@
############## 链接所有目标文件 #############
$(BUILD_DIR)/kernel.bin: $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) $^ -o $@
.PHONY : mk_dir hd clean all
mk_dir:
if [ ! -d $(BUILD_DIR) ]; then mkdir $(BUILD_DIR); fi
hd:
dd if=$(BUILD_DIR)/kernel.bin \
of=/home/cooiboi/bochs/boot/hd60M.img \
bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc
clean:
cd $(BUILD_DIR) && rm -f ./*
build: $(BUILD_DIR)/kernel.bin
all: mk_dir build hd
参考资料
- 《操作系统真象还原》
- 《操作系统真象还原》第十章 ---- 线程打印尚未成功 仍需此章锁机制完善努力 在前往最终章的路上激流勇进
- 《操作系统-真象还原》10. 输入输出系统