unknownOS - 2021年操作系统课程设计

[TOC]

1. 项目组成与实现概述

1.0 项目简介与分工

本项目以《Oranges’一个操作系统的实现》作为基本框架，使用相关的核心代码。主要开发了内核程序。完成了 3 个系统级应用：类Shell控制台、进程管理和文件管理。同时，还实现了 5 个用户级应用，包括日历、gcd计算器和 3个小游戏。以类Shell方式与用户进行交互，通过命令行实现了简单的图形界面。

分工如下：

[hidden name]：组长，负责环境搭建、框架梳理、代码整合与项目管理工作。

[hidden name]：组员，负责文件系统。

[hidden name]：组员，负责进程管理。

[hidden name]：组员，负责编写小游戏推箱子。

[hidden name]：组员，负责编写用户级应用日历和小游戏2048。

1.1 项目框架

本项目基于《Oranges：一个操作系统的实现》。以Bochs虚拟机为环境，以NASM（Netwide Assembler）为编译器，采用保护模式进行调试、makefile方法完成统一编译。

在Linux环境下使用该操作系统时，建议使用Ubuntu进行以下操作：

安装必要插件

sudo apt-get install build-essential #开发必要的软件包
sudo apt-get install xorg-dev #给Bochs配图形界面
sudo apt-get install bison #必要的依赖包
sudo apt-get install libgtk2.0-dev #必要的依赖包

安装Bochs
- 下载Bochs-2.6.11.tar.gz包
- 解压后进入文件夹
```
./configure --enable-debugger --enable-disasm
```
- 打开Makefile，在92行左右的LIBS=...行尾添加-pthread。否则make时会报错。
```
make
sudo make install
```
安装NASM
- 下载NASM-2.15.05.tar.gz包
- 解压后进入文件夹
```
./configure
make 
sudo make install
```
修改工作路径
- 进入到/unknownOS目录中
- 修改bochsrc，将如下的三个路径更换为实际的路径
  
  !
运行操作系统
- 在../../unknownOS中启用Terminal
- 输入bochs
- 选择[6. Begin simulation]，或直接回车
- 此时进入了bochs，但是处于黑屏状态。由于在引导扇区之前，为了调试方便增加了一个断点：
```
...
b			;ea5be000f0
<bochs:1>b 0x7c00
<bochs:2>c
...
```
```
- 只需要在控制台输入`c`，就完成了引导扇区操作，我们的操作系统从这里开始运行。
```

1.2 项目结构

├── 80m.img
├── 80m.img.gz
├── a.img
├── BIOS-bochs-latest
├── bochsdbg-win64.exe
├── bochsrc
├── bochsrc.bxrc
├── boot
│   ├── boot.asm
│   ├── boot.bin
│   ├── include
│   │   ├── fat12hdr.inc
│   │   ├── load.inc
│   │   └── pm.inc
│   ├── loader.asm
│   └── loader.bin
├── fs
│   ├── disklog.c
│   ├── link.c
│   ├── main.c
│   ├── misc.c
│   ├── open.c
│   └── read_write.c
├── godbg.bat
├── include
│   ├── ConcurrencySal.h
│   ├── corecrt.h
│   ├── math.h
│   ├── sal.h
│   ├── stdio.h
│   ├── string.h
│   ├── sys
│   │   ├── config.h
│   │   ├── console.h
│   │   ├── const.h
│   │   ├── fs.h
│   │   ├── global.h
│   │   ├── hd.h
│   │   ├── keyboard.h
│   │   ├── keymap.h
│   │   ├── proc.h
│   │   ├── proc.h.bak
│   │   ├── protect.h
│   │   ├── proto.h
│   │   ├── sconst.inc
│   │   └── tty.h
│   ├── type.h
│   ├── vadefs.h
│   └── vcruntime.h
├── kernel
│   ├── clock.c
│   ├── console.c
│   ├── global.c
│   ├── hd.c
│   ├── i8259.c
│   ├── kernel.asm
│   ├── keyboard.c
│   ├── main.c
│   ├── proc.c
│   ├── protect.c
│   ├── start.c
│   ├── systask.c
│   └── tty.c
├── kernel.bin
├── krnl.map
├── lib
│   ├── close.c
│   ├── fileTree.c
│   ├── getpid.c
│   ├── kliba.asm
│   ├── klib.c
│   ├── misc.c
│   ├── open.c
│   ├── printf.c
│   ├── read.c
│   ├── string.asm
│   ├── syscall.asm
│   ├── syslog.c
│   ├── unlink.c
│   ├── vsprintf.c
│   └── write.c
├── Makefile
├── scripts
│   ├── genlog
│   └── splitgraphs
├── VGABIOS-lgpl-latest
└── x11-pc-us.map

8 directories, 79 files

其中，a.img是操作系统所在的软盘，Bochs引导扇区引导指向这个软盘。

其余的文件，主要问这几类：.asm, .inc, .c, .h和它们生成的.o, .bin。

我们将boot.asm和loader.asm放在单独的目录/boot中，作为配置模式、启动操作的文件夹。/lib中存放使用到的库，项目核心的内核程序都放在/kernel里面。其余的是硬盘：80m.img，系统的文件系统/fs和Makefile、bochsrc。

1.3 Makefile编译

编译的对象文件如下

# This Program
ORANGESBOOT	= boot/boot.bin boot/loader.bin
ORANGESKERNEL	= kernel.bin
OBJS		= kernel/kernel.o lib/syscall.o kernel/start.o kernel/main.o\
			kernel/clock.o kernel/keyboard.o kernel/tty.o kernel/console.o\
			kernel/i8259.o kernel/global.o kernel/protect.o kernel/proc.o\
			kernel/systask.o kernel/hd.o\
			lib/printf.o lib/vsprintf.o\
			lib/kliba.o lib/klib.o lib/string.o lib/misc.o\
			lib/open.o lib/read.o lib/write.o lib/close.o lib/unlink.o\
			lib/getpid.o lib/syslog.o\
			fs/main.o fs/open.o fs/misc.o fs/read_write.o\
			fs/link.o\
			fs/disklog.o
DASMOUTPUT	= kernel.bin.asm

除了基本的kernel，还有一些操作系统必要的组件，比如clock处理时钟中断、tty处理终端操作以及其他的I/O必要函数。

1.4 内核汇编文件

...
extern	k_reenter
extern	sys_call_table
...
global _start	; 导出 _start
global restart
global sys_call
...

当我们把控制权交给内核之后，利用extern和global关键字可以实现汇编语言和C语言的来去切换。在我们的程序中，/kernel/main.c是内核的主要组成部分。它控制了与用户交互和显示的内容。在该文件中，可以找到kernel_main()函数，其中的restart()是进程调度的一部分，也是我们的操作系统启动第一个进程时的入口。

1.5 I/O的实现

这一部分以调用《一个操作系统的实现》作者的代码为主。

本操作系统采用类Shell的操作方式，相应用户的输入。这就要求我们在bochs上实现输入输出函数。本项目使用TTY作为任务进程，肩负着配置键盘输入的重大任务。

输出的操作，采用了printf()函数，调用过程如下：

输入的操作，结合文件系统进行。主要是TTY与文件系统进行结合，为了完成类似Shell的输入方式，实现时有以下的关键代码：

char tty_name[] = "/dev_tty1";
/*
 *	寻找到在根目录的文件：dev_tty0
 */
int fd_stdin = open(tty_name, O_RDWR);
/*
 *	以可读写的方式打开tty文件
 */
assert(fd_stdin == 0);
/*
 *	handle 异常情况
 */
char rdbuf[128];
/*
 *	在内存中开通一个数组，接收dev_tty0中的用户输入内容。根据实际情况变化
 */

/* ======================================================= */
/*  	        当需要读取用户输入时，使用以下代码               */
/* ======================================================= */

int r = read(fd_stdin, rdbuf, 70);
/*
 *	在内存中开通一个数组，接收dev_tty0中的用户输入内容。
 *  最后一个参数为读取的内容大小，根据实际情况变化。
 *  该函数的返回值为读取到内容的长度。
 */
rdbuf[r] = 0;
/*
 *	在之前开通的接收数组中，加入0值来确定实际内容的结尾
 */

/* ======================================================= */
/*  当需要比较用户输入与预设功能提供相应功能时，使用以下代码         */
/* ======================================================= */

if(strcmp(rdbuf, "hello") == 0){}
/*
 *	使用strcmp()函数来比较。
 */

2. 系统级应用

2.1 进程管理

功能实现

本进程管理程序功能主要包括进程状态的展示、进程的暂停和启动以及结束进程。

进程展示：该功能读取系统进程表 proc_table 的表项以及其各个属性并打印到屏幕。

暂停进程：该功能通过读取进程 ID 字符串，并将其换算为数值，以该数值做下标读取系统进程表，修改目标表项 priority为0以达到暂停进程的目的。

启动进程：该功能通过读取进程 ID 字符串，并将其换算为数值，以该数值做下标读取系统进程表，修改目标表项 priority的0为1以达到启动进程的目的。

结束进程：该功能通过读取进程 ID 字符串，并将其换算为数值，以该数值做下标读取系统进程表，修改目标表项 p_flags为1以达到结束进程的目的。

代码展示：

操作说明

在命令行中输入process进入进程管理。

主页是进程管理欢迎界⾯，显示进程管理支持的所有指令以及它们的功能。

show：输入show，展示本系统当前所有进程的ID，进程名称，优先级以及是否正在运行。

pause [id]：暂停目标进程，若目标进程id非法或不可暂停等情况将反馈信息。

id非法：

不可结束：

成功执行：

start [id]：启动未运行进程，若目标进程不存在，id 非法或目标进程已在运行等，则反馈信息。

已在运行：

成功执行：

kill [id]：结束进程，若目标进程id非法或不可暂停等情况将反馈信息。

不可暂停：

成功执行：

exit：退出进程管理系统。

clear：清空屏幕当前的内容。

2.2文件系统

本应用实现了文本与文件夹文件的创建，编辑，删除与搜索等功能。

.txt文件的创建：

在创建的时候，能自动检测在该层是否存在文件名重复，若存在，则无法创建。

文件夹的创建：

在创建的时候，同样能自动检测在该层是否存在文件重名，若存在，则无法创建。

文件列表的查看：

查看某一层的所有文件，上图显示了刚才所创建的文件

文件的搜索：在全局使用文件名进行搜索，若找到则显示该文件的绝对路径。若在全局范围存在多个同名文件，则会将所有同名文件一并搜出，并按照路径由浅至深进行排列。

文本文件的编辑：如图所示，能够对文本进行更新，查看，并将更新暂存在内存之中。

打开文件夹/返回上一级：

删除文件：对文件进行删除，并且递归地删除该文件的所有子文件。

保存修改：将修改的内容从内存中存入硬盘。

3. 用户级应用

3.1 帮助界面

3.2 日历

本项目实现了日历功能，通过输入年份以及月份，可以输出该月的日历，并对不符的输入进行检测与提示。显示某月日历：

检测年份是否有误：

检测月份是否有误:

3.3 2048

本项目实现了经典的2048小游戏，通过 wsad 进行上下左右移动的操作，并给出实时分数，并可通过 q 退出（quit）。初始化：

通过不断操作，分数不断上升，当游戏无法再进行下去时，或者要主动退出，按q可退出游戏

3.4 推箱子

本项目实现了经典的推箱子小游戏，通过 wsad 控制人物（P）上下左右移动的操作，并给出实时分数，每有一个箱子在目标区域（D）得一分，并可通过 q 退出（quit）。初始化：

通过不断操作，分数不断上升，当游戏无法再进行下去时，或者要主动退出，按q可退出游戏

3.5 KFC点餐系统

功能实现

本KFC点餐系统展示菜单和套餐信息，需要用户输入点单指令来执行程序，给出订单信息和价格，并对错误指令进行提示。指令的每个字母都要在A和N之间，否则为错误指令。在点餐内容包含套餐时，会优先按照套餐的较低价格来计算总价。

用结构体数组来记录菜单和套餐信息并输出到屏幕上。

用一个二维数组disnum**来记录每个套餐的每个餐的数量，例，disnum [0][3]==1，代表Meal Box1包含一份D食品，而disnum [0][1]==0，代表Meal Box1不包含B食品。

用一位数组menuchoice*记录用户点单的每个餐食的数量。

先判断是否包含套餐，若包含则减去套餐内各餐食的数目，并在总价中加上套餐钱数，从而达到优先按照套餐的折扣价来收费的目的。不包含套餐之后，用每个餐食的单价乘以其数目加到总价中。

代码展示：

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unknownOS - 2021年操作系统课程设计

1. 项目组成与实现概述

1.0 项目简介与分工

1.1 项目框架

1.2 项目结构

1.3 Makefile编译

1.4 内核汇编文件

1.5 I/O的实现

2. 系统级应用

2.1 进程管理

功能实现

操作说明

2.2文件系统

3. 用户级应用

3.1 帮助界面

3.2 日历

3.3 2048

3.4 推箱子

3.5 KFC点餐系统

功能实现

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1. 项目组成与实现概述

1.0 项目简介与分工

1.1 项目框架

1.2 项目结构

1.3 Makefile编译

1.4 内核汇编文件

1.5 I/O的实现

2. 系统级应用

2.1 进程管理

功能实现

操作说明

2.2文件系统

3. 用户级应用

3.1 帮助界面

3.2 日历

3.3 2048

3.4 推箱子

3.5 KFC点餐系统

功能实现