二状态进程模型 wu-kan

实验题目

二状态进程模型

实验目的

  1. 学习进程模型知识,掌握进程模型的实现方法。
  2. 利用时钟中断,设计时钟中断处理进行进程交替执行
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

saverestart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

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

kerner.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

wukos.asmkernel.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

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。 1 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。 2 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。 3 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。 4

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,schedulerestart,但实现起来可不简单。

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callret操作,避免出错。另外,sssp的保存时机也是非常关键的。sssp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。

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!