计算机操作系统实验运行用户态程序.docx
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计算机操作系统实验运行用户态程序.docx
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计算机操作系统实验运行用户态程序
西北工业大学操作系统实验实验报告
一、实验目的
掌握在GeekOS系统用户态模式下加载并运行可执行程序的方法。
二、实验要求
1.按照实验讲义P127页中的设计要求,实现在用户态模式下加载并运行可执行程序的代码,给出关键函数的代码以及实验结果。
三、实验过程及结果
答:
核心函数代码如下:
==================user.c===============
//产生一个进程(用户态)
intSpawn(constchar*program,constchar*command,structKernel_Thread**pThread)
{
//TODO("Spawnaprocessbyreadinganexecutablefromafilesystem");
intrc;
char*exeFileData=0;
ulong_texeFileLength;
structUser_Context*userContext=0;
structKernel_Thread*process=0;
structExe_FormatexeFormat;
if((rc=Read_Fully(program,(void**)&exeFileData,&exeFileLength))!
=0)
{
Print("FailedtoReadFile%s!
\n",program);
gotofail;
}
if((rc=Parse_ELF_Executable(exeFileData,exeFileLength,&exeFormat))!
=0)
{
Print("FailedtoParseELFFile!
\n");
gotofail;
}
if((rc=Load_User_Program(exeFileData,exeFileLength,&exeFormat,command,&userContext))!
=0)
{
Print("FailedtoLoadUserProgram!
\n");
gotofail;
}
//在堆分配方式下释放内存并再次初始化exeFileData
Free(exeFileData);
exeFileData=0;
/*开始用户进程,调用Start_User_Thread函数创建一个进程并使其进入准备运行队列*/
process=Start_User_Thread(userContext,false);
if(process!
=0){
KASSERT(process->refCount==2);
/*返回核心进程的指针*/
*pThread=process;
rc=process->pid;//记录当前进程的ID
}
else
rc=ENOMEM;
returnrc;
fail:
//如果新进程创建失败则注销User_Context对象
if(exeFileData!
=0)
Free(exeFileData);//释放内存
if(userContext!
=0)
Destroy_User_Context(userContext);//销毁进程对象
returnrc;
}
-------------------------------------
//切换至用户上下文
voidSwitch_To_User_Context(structKernel_Thread*kthread,structInterrupt_State*state)
{
staticstructUser_Context*s_currentUserContext;/*lastusercontextused*/
//externintuserDebug;
structUser_Context*userContext=kthread->userContext;
KASSERT(!
Interrupts_Enabled());
if(userContext==0){//userContext为0表示此进程为核心态进程就不用切换地址空间
return;
}
if(userContext!
=s_currentUserContext){
ulong_tesp0;
//if(userDebug)Print("A[%p]\n",kthread);
Switch_To_Address_Space(userContext);//为用户态进程时则切换地址空间
esp0=((ulong_t)kthread->stackPage)+PAGE_SIZE;
//if(userDebug)
//Print("S[%lx]\n",esp0);
/*新进程的核心栈.*/
Set_Kernel_Stack_Pointer(esp0);//设置内核堆栈指针
/*Newusercontextisactive*/
s_currentUserContext=userContext;
}
}
==================elf.c====================
intParse_ELF_Executable(char*exeFileData,ulong_texeFileLength,structExe_Format*exeFormat)
{
inti;
elfHeader*head=(elfHeader*)exeFileData;
programHeader*proHeader=(programHeader*)(exeFileData+head->phoff);
KASSERT(exeFileData!
=NULL);
KASSERT(exeFileLength>head->ehsize+head->phentsize*head->phnum);
KASSERT(head->entry%4==0);
exeFormat->numSegments=head->phnum;
exeFormat->entryAddr=head->entry;
for(i=0;i
{
exeFormat->segmentList[i].offsetInFile=proHeader->offset;
exeFormat->segmentList[i].lengthInFile=proHeader->fileSize;
exeFormat->segmentList[i].startAddress=proHeader->vaddr;
exeFormat->segmentList[i].sizeInMemory=proHeader->memSize;
exeFormat->segmentList[i].protFlags=proHeader->flags;
proHeader++;
}
return0;
}
===================userseg.c===================
//需在此文件各函数前增加一个函数,此函数的功能是按给定的大小创建一个用户级进程上下文,具体实现如下:
//函数功能:
按给定的大小创建一个用户级进程上下文
staticstructUser_Context*Create_User_Context(ulong_tsize)
{
structUser_Context*UserContext;
size=Round_Up_To_Page(size);
UserContext=(structUser_Context*)Malloc(sizeof(structUser_Context));
if(UserContext!
=0)
UserContext->memory=Malloc(size);
//为核心态进程
else
gotofail;
//内存为空
if(0==UserContext->memory)
gotofail;
memset(UserContext->memory,'\0',size);
UserContext->size=size;
//以下为用户态进程创建LDT(段描述符表)
//新建一个LDT描述符
UserContext->ldtDescriptor=Allocate_Segment_Descriptor();
if(0==UserContext->ldtDescriptor)
gotofail;
//初始化段描述符
Init_LDT_Descriptor(UserContext->ldtDescriptor,UserContext->ldt,NUM_USER_LDT_ENTRIES);
//新建一个LDT选择子
UserContext->ldtSelector=Selector(KERNEL_PRIVILEGE,true,Get_Descriptor_Index(UserContext->ldtDescriptor));
//新建一个文本段描述符
Init_Code_Segment_Descriptor(
&UserContext->ldt[0],
(ulong_t)UserContext->memory,
size/PAGE_SIZE,
USER_PRIVILEGE
);
//新建一个数据段
Init_Data_Segment_Descriptor(
&UserContext->ldt[1],
(ulong_t)UserContext->memory,
size/PAGE_SIZE,
USER_PRIVILEGE
);
//新建数据段和文本段选择子
UserContext->csSelector=Selector(USER_PRIVILEGE,false,0);
UserContext->dsSelector=Selector(USER_PRIVILEGE,false,1);
//将引用数清0
UserContext->refCount=0;
returnUserContext;
fail:
if(UserContext!
=0){
if(UserContext->memory!
=0){
Free(UserContext->memory);
}
Free(UserContext);
}
return0;
}
--------------------------------------------
//摧毁用户上下文
voidDestroy_User_Context(structUser_Context*userContext)
{
//TODO("DestroyaUser_Context");
//释放占用的LDT
Free_Segment_Descriptor(userContext->ldtDescriptor);
userContext->ldtDescriptor=0;
//释放内存空间
Free(userContext->memory);
userContext->memory=0;
//释放userContext本身占用的内存
Free(userContext);
userContext=0;
}
----------------------------------------------
intLoad_User_Program(char*exeFileData,ulong_texeFileLength,structExe_Format*exeFormat,constchar*command,structUser_Context**pUserContext)
{
//TODO("Loadauserexecutableintoausermemoryspaceusingsegmentation");
inti;
ulong_tmaxva=0;//要分配的最大内存空间
unsignednumArgs;//进程数目
ulong_targBlockSize;//参数块的大小
ulong_tsize,argBlockAddr;//参数块地址
structUser_Context*userContext=0;
//计算用户态进程所需的最大内存空间
for(i=0;i
//elf.h
structExe_Segment*segment=&exeFormat->segmentList[i];
ulong_ttopva=segment->startAddress+segment->sizeInMemory;/*FIXME:
rangecheck*/
if(topva>maxva)
maxva=topva;
}
Get_Argument_Block_Size(command,&numArgs,&argBlockSize);//获取参数块信息
size=Round_Up_To_Page(maxva)+DEFAULT_USER_STACK_SIZE;
argBlockAddr=size;
size+=argBlockSize;
userContext=Create_User_Context(size);//按相应大小创建一个进程
if(userContext==0)//如果为核心态进程
return-1;
for(i=0;i
structExe_Segment*segment=&exeFormat->segmentList[i];
//根据段信息将用户程序中的各段内容复制到分配的用户内存空间
memcpy(userContext->memory+segment->startAddress,exeFileData+segment->offsetInFile,segment->lengthInFile);
}
//格式化参数块
Format_Argument_Block(userContext->memory+argBlockAddr,numArgs,argBlockAddr,command);
//初始化数据段,堆栈段及代码段信息
userContext->entryAddr=exeFormat->entryAddr;
userContext->argBlockAddr=argBlockAddr;
userContext->stackPointerAddr=argBlockAddr;
//将初始化完毕的User_Context赋给*pUserContext
*pUserContext=userContext;
return0;//成功
}
----------------------------------------------
//将用户态的进程复制到内核缓冲区
boolCopy_From_User(void*destInKernel,ulong_tsrcInUser,ulong_tbufSize)
{
structUser_Context*UserContext=g_currentThread->userContext;
//--:
checkifmemoryifvalidated
if(!
Validate_User_Memory(UserContext,srcInUser,bufSize))
returnfalse;
memcpy(destInKernel,UserContext->memory+srcInUser,bufSize);
returntrue;
}
-----------------------------------------
//将内核态的进程复制到用户态
boolCopy_To_User(ulong_tdestInUser,void*srcInKernel,ulong_tbufSize)
{
structUser_Context*UserContext=g_currentThread->userContext;
if(!
Validate_User_Memory(UserContext,destInUser,bufSize))
returnfalse;
memcpy(UserContext->memory+destInUser,srcInKernel,bufSize);
returntrue;
}
----------------------------------------
//切换到用户地址空间
voidSwitch_To_Address_Space(structUser_Context*userContext)
{
ushort_tldtSelector=userContext->ldtSelector;/*SwitchtotheLDTofthenewusercontext*/
__asm____volatile__("lldt%0":
:
"a"(ldtSelector));
}
=================kthread.c===============
添加头文件#include
----------------------------------
//创建一个用户进程
/*static*/voidSetup_User_Thread(structKernel_Thread*kthread,structUser_Context*userContext)
{
ulong_teflags=EFLAGS_IF;
unsignedcsSelector=userContext->csSelector;//CS选择子
unsigneddsSelector=userContext->dsSelector;//DS选择子
Attach_User_Context(kthread,userContext);
//初始化用户态进程堆栈,使之看上去像刚被中断运行一样
//分别调用Push函数将以下数据压入堆栈
Push(kthread,dsSelector);//数据选择子
Push(kthread,userContext->stackPointerAddr);//堆栈指针
Push(kthread,eflags);//Eflags
Push(kthread,csSelector);//文本选择子
Push(kthread,userContext->entryAddr);//程序计数器
Push(kthread,0);//错误代码(0)
Push(kthread,0);//中断号(0)
//初始化通用寄存单元,将ESI用户传递参数块地址
Push(kthread,0);/*eax*/
Push(kthread,0);/*ebx*/
Push(kthread,0);/*edx*/
Push(kthread,0);/*edx*/
Push(kthread,userContext->argBlockAddr);/*esi*/
Push(kthread,0);/*edi*/
Push(kthread,0);/*ebp*/
//初始化数据段寄存单元
Push(kthread,dsSelector);/*ds*/
Push(kthread,dsSelector);/*es*/
Push(kthread,dsSelector);/*fs*/
Push(kthread,dsSelector);/*gs*/
}
//开始用户进程
structKernel_Thread*Start_User_Thread(structUser_Context*userContext,booldetached)
{
structKernel_Thread*kthread=Create_Thread(PRIORITY_USER,detached);
if(kthread!
=0){
Setup_User_Thread(kthread,userContext);
Make_Runnable_Atomic(kthread);
}
returnkthread;
}
================syscall.c=================
//需在此文件别的函数前增加一个函数,函数名为Copy_User_String,它被函数Sys_PrintString调用,具体实现如下:
staticintCopy_User_String(ulong_tuaddr,ulong_tlen,ulong_tmaxLen,char**pStr)
{intrc=0;
char*str;
if(len>maxLen){//超过最大长度
returnEINVALID;
}
str=(char*)Malloc(len+1);//为字符串分配空间
if(0==str){
rc=ENOMEM;
gotofail;
}
if(!
Copy_From_User(str,uaddr,len)){//从用户空间中复制数据
rc=EINVALID;
Free(str);
gotofail;
}
str[len]='\0';
//成功
*pStr=str;
fail:
returnrc;
}
-----------------------------------------
staticintSys_Exit(structInterrupt_State*st
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- 计算机 操作系统 实验 运行 用户 程序