This Is NACHOS#3

本文最后更新于：2022年7月7日上午

该实验将体验Nachos的用户程序、应用进程进程及Nachos系统调用的相关概念,为后续实验中实现系统调用Exec()与Exit()奠定基础

通过该实验，你需要

理解Nachos可执行文件的格式与结构
掌握Nachos应用程序的编程语法，了解用户进程是如何通过系统调用与操作系统内核进行交互的
掌握如何利用交叉编译生成Nachos的可执行程序
理解系统如何为应用程序创建进程，并启动进程
理解如何将用户线程映射到核心线程，核心线程执行用户程序的原理与方法
理解当前进程的页表是如何与CPU使用的页表进行关联的

Nachos可执行程序的格式

阅读../bin/noff.h

noff.h

noff文件中包含三个段：

code代码段
initData初始化数据段
uninitData未初始化数据段

noff文件头中包含用于区分的noffMagic，和三个段在虚拟空间中的起始位置virtualAddr、在文件中的起始位置inFileAddr、段大小size

Nachos应用程序与可执行程序

阅读../test目录下的几个Nachos程序，以../test/halt.c为例

halt.c

可以看出Nachos应用程序的编程语法为C，引入syscall.h头文件后，直接调用系统调用函数Halt()与操作内核进行交互，终止操作系统。

由于Nachos模拟了一个执行MIPS指令的CPU，因此需要将用户编写的Nachos应用程序编译成MIPS框架的可执行程序。Nachos提供了一个交叉编译程序gcc-2.8.1-mips.tar.gz，可将Nachos用户编写的应用程序编译成MIPS指令集的可执行程序，然后在Nachos中运行。阅读../test/Makefile可知

Makefile

gcc MIPS交叉编译器将Nachos的应用程序编译成coff格式的可执行文件，然后利用../test/coff2noff将coff格式的可执行程序转换成Nachos CPU可识别的noff可执行程序。

在../test目录中通过下述命令生成halt.c对应的汇编代码halt.s

1	`/usr/local/mips/bin/decstation-ultrix-gcc -I ../userprog -I ../threads -S halt.c`

分析该汇编代码，主函数main的栈帧（stack frame）如下创建：

.frame	$fp,40,$31		# vars= 16, regs= 2/0, args= 16, extra= 0
.mask	0xc0000000,-4
.fmask	0x00000000,0
subu	$sp,$sp,40
sw	$31,36($sp)
sw	$fp,32($sp)
move	$fp,$sp
jal	__main

主函数main的栈帧如下撤销：

$L1:
	move	$sp,$fp
	lw	$31,36($sp)
	lw	$fp,32($sp)
	addu	$sp,$sp,40
	j	$31
	.end	main

C语言程序中的语句对应的机器指令如下注释：

jal	__main
# k = 3
li	$2,3			# 0x00000003
sw	$2,24($fp)
# i = 2
li	$2,2			# 0x00000002
sw	$2,16($fp)
# j = i-1
lw	$2,16($fp)
addu	$3,$2,-1
sw	$3,20($fp)
# k = i-j+k
lw	$2,16($fp)
lw	$3,20($fp)
subu	$2,$2,$3
lw	$3,24($fp)
addu	$2,$3,$2
sw	$2,24($fp)
# Halt()
jal	Halt

在../userprog目录下运行Nachos应用程序halt，加上参数-d m输出显示Nachos模拟的MIPS CPU所执行的每条指令nachos -d m x ../test/halt.noff，运行结果如下：

run halt

页表的系统转储

Nachos的存储管理采用分页管理方式，在类AddrSpace中添加成员函数Print()，在为一个应用程序新建一个地址空间后调用该函数，输出该程序的页表（页面与帧的映射关系），有助于后续程序的调试与开发。

AddrSpace::Print()

测试。在../userprog中运行nachos –x ../test/halt.noff，从输出结果中可以看看程序halt的页面与帧（虚页与实页）的对应关系，以及Nachos为该程序分配的实页数为11

halt's pageTable

Nachos应用程序的创建与执行

在main.cc中，处理命令行参数-x时，调用../userprog/progtest.cc的StartProcess(char *filename)函数，为用户程序filename创建相应的进程，并启动该进程的执行

main.cc '-x'

阅读该函数并分析

StartProcess()

Nachos为应用程序创建进程的过程

首先为程序分配内存空间，将用户程序装入所分配的内存空间，创建相应的页表，建立虚页与实页的映射关系

1	`space = new AddrSpace(executable)；`

然后将用户进程映射到一个核心线程

1	`currentThread->space = space;`

初始化CPU的寄存器，包括数据寄存器、PC以及栈指针等

1	`space->InitRegisters();`

将用户进程的页表传递给系统核心（Machine类），以便CPU能从用户进程的地址空间中读取应用程序指令

1	`space->RestoreState();`

最后开始用户进程的执行，Machine::Run()从程序入口开始，完成取指令、译码、执行的过程，直到进程遇到Exit()语句或者异常才退出

1	`machine->Run();`

系统为用户进程分配内存空间、建立页表的过程

阅读函数AddrSpace::AddrSpace(OpenFile* executable)

首先读取可执行文件的文件头，判断是否为noff格式文件

step1: Is the file .noff?

计算该用户程序的代码段、数据段（包括初始化的全局变量与未初始化的全局变量，以及静态变量）、栈空间共需要的页数，判断是否有足够的内存空间分配

step2: How big is address space?

建立该用户程序运行进程的页表

Nachos使用的页表中每个页表项结构如下：

int virtualPage：在虚拟内存中的页号

int physicalPage：在物理内存中的页号

bool valid：有效位，若置1则该页表项有效

bool readOnly：只读位，若置1则该页不允许被修改

bool use：使用位，当该页被访问或修改时置1

bool dirty：脏位，当该页被修改时置1