一个操作系统的实现（3）
文件系統(tǒng)
文件系統(tǒng)是建立在硬盤上的一個程序，所以由2部分組成：驅(qū)動和管理文件系統(tǒng)的進程FS。
首先看一下驅(qū)動是如何工作的：
通常，主板上面有2個IDE插槽，分別叫做IDE0/IDE1。每個IDE通道又可以接2個設(shè)備。驅(qū)動進程的目的就是要隱藏硬件細(xì)節(jié)，向FS進程提供統(tǒng)一的接口，具體到這里，驅(qū)動為FS提供的接口就是打開，讀取，寫入，關(guān)閉等接口。下面是硬盤驅(qū)動程序：
Task_hd()
{
???????Recv(any, msg) //接受任何進程傳來的消息
???????If(msg == DEV_OPEN)??//如果是打開設(shè)備消息，則對硬盤寄存器做一些操作，比如獲取硬盤信息等。
???????{
??????????????Out_byte(***)???//向硬盤寄存器寫入數(shù)據(jù)
??????????????Recv(interrupt, msg) //阻塞等待硬盤中斷發(fā)生（表示需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)得到）
???????}
???????Send(src, msg) //將獲取的硬盤信息返回給發(fā)送者進程
}
上面的程序之添加了一個讀取硬盤信息的消息，其他比如讀取寫入數(shù)據(jù)的消息和這個都是類似的。
有一點需要注意，驅(qū)動程序task_hd在讀取硬盤信息或者寫入數(shù)據(jù)到硬盤時候的操作其實比上面的情況略微復(fù)雜，下面來看一個完成的調(diào)用過程：
1 task_fs?文件系統(tǒng)進程?需要操作硬盤，給硬盤驅(qū)動進程task_hd（）?發(fā)送一個msg。
2?假設(shè)這時，task_hd()處于空閑狀態(tài)，即等待在recv(any,msg)處，則會接受這個消息，并向硬盤發(fā)送命令。
3?硬盤完成工作后，會觸發(fā)中斷, Recv(interrupt, msg)返回，并給task_fs?文件系統(tǒng)進程發(fā)送硬盤數(shù)據(jù)消息。
4 task_fs?文件系統(tǒng)進程?得到CPU時間時，會收到硬盤數(shù)據(jù)消息。
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最簡單的硬盤驅(qū)動看來是告一段落了。下面就可以在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個文件系統(tǒng)，首先需要明白一個文件系統(tǒng)的幾個基本要素：
1）??有地方存放metadata（一般為硬盤第二個扇區(qū)，因為第一個扇區(qū)為引導(dǎo)分區(qū)）
2）??有地方記錄扇區(qū)使用情況（位圖法）
3）??有地方記錄任一文件信息，包括文件名，修改時間，占用哪些扇區(qū)等（一個i-node數(shù)組，每個元素包含了文件名，屬性等信息。同時也需要一個位圖來表示i-node數(shù)組的使用情況）
4）??文件索引
以后就按照這個方法來組織硬盤結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建/刪除/寫入/讀取文件不過是按照這種格式來組織硬盤而已
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為了實現(xiàn)多系統(tǒng)在硬盤上共存，必須將硬盤劃分為多個分區(qū)。每個系統(tǒng)占用一個分區(qū)。通過一個硬盤的引導(dǎo)扇區(qū)可以設(shè)置硬盤分區(qū)，硬盤最多可以分為4個物理分區(qū)。其中每個分區(qū)還可以繼續(xù)劃分為多個邏輯分區(qū)。
一般Linux的設(shè)備分為主設(shè)備號和次設(shè)備號，主設(shè)備號表示不同的物理設(shè)備（硬盤，軟盤）；次設(shè)備號表示物理設(shè)備上的分區(qū)。歸納一下就是：主設(shè)備號告訴OS用哪個驅(qū)動程序來處理，次設(shè)備號告訴驅(qū)動程序這是哪個設(shè)備。
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下面看一下硬盤驅(qū)動讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程：
1?首先還是一樣task_fs（）?文件系統(tǒng)進程通過前面實現(xiàn)的IPC機制將讀取（寫入）硬盤數(shù)據(jù)消息發(fā)送（即復(fù)制）給task_hd()
2 task_hd()
{
???????…
???????Case:DEV_OPEN //如果某用戶進程需要打開一個文件
??????????????為文件內(nèi)容分配扇區(qū)
??????????????分配一個i-node
??????????????分配inode-map
??????????????分配sector-map
??????????????創(chuàng)建文件索引
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???????Case: DEV_READ //讀文件
??????????????首先找到將要讀取的文件的文件描述符和位置
??????????????根據(jù)文件描述符通過驅(qū)動獲取的該文件在硬盤的具體位置（即i-node）。
??????????????將硬盤內(nèi)容復(fù)制到緩存
}
這一部分寫的不是很清楚，理一下思路，我的理解就是硬盤首先有一個文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（fat32,ntfs,ext2等等），相對于的就有一個硬盤驅(qū)動程序用來管理硬盤使用的文件系統(tǒng)并對上層提供文件操作的接口。上層用戶需要讀取硬盤數(shù)據(jù)的時候，首先將消息發(fā)送給FS，然后FS會將該消息發(fā)送給硬盤驅(qū)動程序，硬盤驅(qū)動程序根據(jù)硬盤所使用的文件格式來找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)并吧數(shù)據(jù)復(fù)制到OS提供的一個緩存中拱用戶進程使用。
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????????????????????????????????????????????????????????內(nèi)存管理
到了現(xiàn)在，還沒有完成了就是和內(nèi)存相關(guān)的一些東西，首先看看如何創(chuàng)建一個進程（fork），每個shell就是一個子進程。
一個新的進程需要的條件有：
1?代碼，數(shù)據(jù)，堆棧（從父進程復(fù)制過來）
2?在進程表中占據(jù)一個位置
3?在GDT中有一個位置，指向了該進程對應(yīng)的LTD，也就是指向了進程的數(shù)據(jù)和堆棧等
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看一下linux中fork用法：
First_proc()
{
???????Int id = fork();
???????If(pid != 0) //這是父進程
???????Else?子進程運行
}
父子進程公用一個代碼段
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可以看到，內(nèi)存管理主要需要在OS中增加2個進程，分別為所有用戶的祖先進程（INIT0）和MM進程（memory Management process）。
Init0進程有些特殊，首先一般的進程的虛擬內(nèi)存空間對用戶來說是0-4GB，但是init0的內(nèi)存在這里大致等于內(nèi)核占用內(nèi)存的大小。
Fork的大概步驟如下：
1?用戶調(diào)用fork
2?通過消息機制發(fā)送FORK消息給MM
3 MM主循環(huán)完成創(chuàng)建進程的工作，主要流程為：找一個空閑的進程表項作為新進程的進程表項；讀取父進程的表示內(nèi)存占用的LDT，從中取出父進程的代碼，數(shù)據(jù)和堆棧段內(nèi)存首地址和范圍。
3?根據(jù)父進程的內(nèi)存占用情況，分配相同大小的內(nèi)存給子進程。（分配內(nèi)存需要注意的就是內(nèi)存不要重復(fù)使用），然后將父進程的內(nèi)存中的內(nèi)容復(fù)制給子進程。
4?如果父進程有打開文件，要給FS進程發(fā)送一個消息來處理父子進程間的共享文件。（FS利用計數(shù)器實現(xiàn)）
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銷毀一個進程也差不多，唯一需要注意的就是MM在銷毀一個進程的時候，需要首先銷毀他的所有子進程。
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接下來說明一下幾個概念，大多是復(fù)制過來的：
CRT:一個應(yīng)用程序只能調(diào)用2種東西：屬于自己的函數(shù)，以及中斷（系統(tǒng)調(diào)用就是軟中斷）。但是實際上，OS還為普通應(yīng)用程序提供了一個CRT，這個庫里面有已經(jīng)編譯好的庫函數(shù)代碼。用戶應(yīng)用程序可以很方便的使用CRT，而免去了很多中斷調(diào)用。
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???????OS自帶應(yīng)用程序：每個OS都可以附帶和安裝很多應(yīng)用程序，簡單來說目的就是為了把應(yīng)用程序從光盤中安裝到OS認(rèn)識的硬盤中并知道位置，這樣在需要用時，OS可以自己找到該應(yīng)用程序。例如，一個最簡單的應(yīng)用程序：
_start
Main(){printf(***);}
把他安裝到OS中的步驟大致如下：
1?編譯連接該應(yīng)用程序并打包（設(shè)為inst.tar）
2?將打包的應(yīng)用程序二進制文件寫入OS安裝盤的某扇區(qū)（設(shè)該扇區(qū)號為X）。
3?啟動系統(tǒng)時，在mkfs（）創(chuàng)建文件系統(tǒng)時建立一個新的文件cmd.tar，他對應(yīng)的起始文件扇區(qū)號為X。
4?在init進程中，將cmd.tar解壓，將其中包含的文件（即為inst.tar）存入文件系統(tǒng)。
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Exec才等同于windows里面的CreartProcess.
First_proc()
{
???????Int id = fork();
???????If(pid != 0) //這是父進程
???????Else?子進程運行
???????{
??????????????Exec()???//參數(shù)即為新的代碼段
???????}
}
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Exec的執(zhí)行流程：
1?檢查參數(shù)個數(shù)并將它們依次存放到某連續(xù)內(nèi)存處
2?向MM發(fā)送消息，消息體就是上面存放參數(shù)的連續(xù)內(nèi)存。
3 MM消息接收到這個消息，將參數(shù)取出（由于exec所在進程和MM不是同一個進程，所有他們的虛擬地址不一樣，MM需要通過物理地址復(fù)制的方式來獲取消息）
4?根據(jù)exec傳來的參數(shù)，MM將要執(zhí)行文件復(fù)制到自己的緩沖區(qū)中
5?被執(zhí)行文件是elf格式，MM根據(jù)格式將被執(zhí)行文件的各個段放置到合適的空閑內(nèi)存中。
6?建立棧
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OK all done with simplest mode..?
2011.1.15 AM8:45 ?
i love joliet - teddy_xiong ?in ZNUFE
sylar MAIL: cug@live.cn轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/xumaojun/p/8544130.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的一个操作系统的实现（3）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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