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OS实验的测试要求(v0.1)

概述

实现指导见 ucore_Tutorial，该文档仅解释测试程序。在实现文件系统之前，你应当以合适的方式（可参考知道书或者样例实现）将测试文件置于内存中某一个位置并设法运行。

测试文件说明

在 /user 目录下 make all CHAPTER=x 即可得到实验x的测例，位于 user/target目录下，elf 和 bin 表示格式。（具体操作见 user/Makefile）

加载位置说明：

  • chapter2 所有程序加载位置位于 0x80400000，与示例代码一致。
  • chapter3 测试程序分为3批，没一批的地址都为 0x80400000 + id*0x20000，id 为程序在这一批中的序号。没一批都与参考代码一致。
  • chapter4-7 所有程序加载位置位于 0x1000，与示例代码一致。

chx_* 格式的文件表明属于实验x，chxt_* 格式的文件表明属于实验x，但仅仅是暂时实现，后续可能会去除，具体见下方描述。

lab1

核心目标

boot 起来，能够输出就行。

实现

完成基本初始化，主要是硬件加电后的硬件初始化，推荐使用SBI。OS需要知道内存大小，IO分布。

实现串口输出功能，方便后续调试（可依赖SBI）。

测试

模仿样例实现

  • 获取内存布局并输出

    • 例如

          extern "C" {
        fn stext();
        fn etext();
        fn srodata();
        fn erodata();
        fn sdata();
        fn edata();
        fn sbss();
        fn ebss();
        fn boot_stack();
        fn boot_stack_top();
    };
    clear_bss();
    println!("Hello, world!");
    println!(".text [{:#x}, {:#x})", stext as usize, etext as usize);
    println!(".rodata [{:#x}, {:#x})", srodata as usize, erodata as usize);
    println!(".data [{:#x}, {:#x})", sdata as usize, edata as usize);
    println!("boot_stack [{:#x}, {:#x})", boot_stack as usize, boot_stack_top as usize);
    println!(".bss [{:#x}, {:#x})", sbss as usize, ebss as usize);

  • 实现彩色化输出

    • 例如：

      info("%d %s %p", a, b, c);
debug("%d %s %p", c, d, e);
error("%d %s %p", A, B, C);
``

    • 本质是在print的内容之前/之后输出一段特殊的控制字符。

lab2

核心目标

实现内核/用户态隔离与切换。

硬性约定
  • 用户程序用户栈大小为一个页，也就是0x1000 (4k)，且按照0x1000对其。统一大小方便测试。
实现

  • 隔离

    • 功能描述：U态不能访问 M/S 态的指令和寄存器，程序不能访问非法地址

  • sys_write:

    • 功能描述：与 posix sys_write 基本一致
      • syscall ID：64
      • 功能：从内存缓冲区写入一段内容到文件/串口。
      • C 接口：int sys_write(int fd, char *buf, int len);
      • Rust 接口：fn sys_write(fd: i32, buf: *mut u8, len: i32) -> i32;
      • 参数：fd 描述当前进程需要访问的文件，buf 表示保存即将写入文件的数据的缓冲区的地址，len 表示最大的写入字节数。
      • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回实际写入的字节数。
      • 可能的错误：
        • 传入的 fd 不合法（目前仅支持 stdout，也就是 1）
        • 传入缓冲区位于用户地址之外（需要检查 .text .data .bss 各段以及用户栈，如果是 bin 格式会简单很多）
      • 备注：该 syscall 的实现可能是阻塞的。
    • 对应测例：
      • ch2t_write0: 测试错误检查。暂时性说明：在lab4实现虚存后失效。
      • ch2_write1: 测试参数正确时的功能实现。

  • sys_exit:

    • 功能描述：与 posix sys_exit 基本一致
      • syscall ID：93
      • 功能：退出当前进程。
      • C 接口：int sys_exit(int status);
      • Rust 接口：fn sys_exit(status: i32) -> i32;
      • 参数：status 描述当前进程的返回值，并应当由其父进程捕获到。
      • 返回值：正常情况下应不会返回。请在调用 exit 之后加入 panic 语句来确保这一点。
      • 可能的错误：没啥。
    • 对应测例：
      • ch2_exit
      • 所有用户程序最终都需要调用

lab3

核心目标

实现最简单的上下文的概念，可以切换进程。实现时钟中断。

硬性约定
  • 进程优先级在 [2, i64_max] 之间。注意，这里的优先级不能为1和0是为了实现 stride 调度的方便。
  • 仅在当前实验中，给用户程序设定一个较大的运行时间上限，超出就杀死，这是为了确保实现了时钟中断。暂时性说明：这个单纯是为了通过死循环测试，lab4开始就删掉。
实现

  • sys_gettime

    • 功能描述：与 posix sys_gettime 一致

      • syscall ID：169

      • 功能：获取当前时间。

      • C 接口：int gettime(TimeVal* ts, int tz);

      • Rust 接口：fn gettime(ts: &TimeVal, tz: usize) -> isize;

      • 参数：

        • ts 为当前时间结构体
        struct TimeVal {
	uint64 sec,	// 自 Unix 纪元起的秒数
	uint64 usec,	// 微秒，也就是除了秒的那点零头
}
        • tz 表示时区，这里无需考虑，始终为0。

      • 返回值：正确返回 0，错误返回 -1。

      • 可能的错误：无。

    • 对应测例：

      • ch3_0_sleep：注意这里没有实现sleep系统调用，只是一个用户太模拟。

  • sys_yield

    • 功能描述：与 posix sys_yield 基本一致
      • syscall ID：124
      • 功能：主动交出当前进程的 CPU 使用权，从而使得 CPU 可以执行其他进程。
      • C 接口：int yield();
      • Rust 接口：fn yield() -> i32;
      • 参数：无参数。
      • 返回值：总是返回 0。
      • 可能的错误：没有正确切换。
    • 对应测例
      • ch3_1_yield*: 测试时需要以批处理形式并发运行ch3_1_yield[012]，正确输出为交替出现的 ABC。为了排除其他程序干扰，推荐不要运行除此之外的程序。

  • sys_set_priority

    • 功能描述：设定进程优先级
      • syscall ID: 140
      • 功能：设定进程优先级。
      • C 接口：int setpriority(long long prio);
      • Rust 接口：fn setpriority(prio: isize) -> isize;
      • 说明：设定自身进程优先级，只要 prio 在 [2, isize_max] 就成功，返回 prio，否则返回 -1。
    • 对应测例
      • ch3_0_setprio

  • 时钟中断

    • 功能描述：定期的时钟中断
    • 对应测试：
      • ch3_2_power: 测试时需要以批处理形式并发运行ch3_2_power[012]，本质就是耗时运算强行拖到时钟中断，正确输出为交替出现的 power[357] ...。为了排除其他程序干扰，推荐不要运行除此之外的程序。
      • ch3_t_deadloop: 就是一个死循环，只有实现了时钟中断才能把它杀死。

  • stride 调度

    • 功能描述：请指导书中 stride 调度算法部分，并在自己的 os 中实现该调度。
    • 测试说明：
      • ch3_3_stride: 测试时需要以批处理形式并发运行ch3_3_stride[012345]，程序本质是过固定时间计数+1，最终输出的计数要和优先级基本成正比。

lab4

核心目标

实现虚存/物理内存管理。

硬性约定
  • 注意删除　lab3　中杀死进程的逻辑
  • 该章节 mmap系统调用为非标准格式，含义也不尽相同。
实现

  • mmap

    • syscall ID：222
    • C接口：int mmap(void* start, unsigned long long len, int port);
    • Rust接口：fn mmap(start: usize, len: usize, port: usize) -> isize;
    • 功能：申请长度为 len 字节的物理内存，并映射到 addr 开始的虚存。
    • 参数：start 需要映射的虚存起始地址，要求按页对齐。len：映射字节长度，可以为0（如果是则直接返回），暂时不考虑 len 过长的情况。实现中对页长度取上整。port：第0位表示是否可读，第1位表示是否可写，第2位表示是否可执行。其他位无效。
    • 说明：正确返回实际 map size（为 4096 的倍数），错误返回 -1。为了简单：
      • start 若非按页对其按错误处理
      • 暂时不考虑分配失败时的物理内存回收（也就是内存泄漏）
    • 错误：
      • [start, start + len) 中部分或者全部已经映射。
      • 物理内存不足。

  • munmap

    • syscall ID：215
    • C接口：int mmap(void* start, unsigned long long len);
    • Rust接口：fn mmap(start: usize, len: usize) -> i32;
    • 功能：取消一块虚存的映射。
    • 参数：同 mmap。
    • 说明：正确返回实际 map size（为 4096 的倍数），错误返回 -1。为了简单：
      • start 若非按页对其按错误处理
      • 暂时不考虑中途失败时的物理内存回收与恢复
    • 错误：
      • [start, start + len) 中部分或者全部没有被映射。

lab5

核心目标

实现进程管理。

硬性约定
  • 该章节 sys_spawn系统调用为生造，实际上没有该系统调用，但是可以用 fork + exec 模拟。
实现

  • getpid

    • syscall ID：172
    • 功能：获取当前进程的进程 ID。
    • C 接口：int getpid();
    • Rust 接口：fn getpid() -> i32;
    • 参数：无参数。
    • 返回值：返回当前进程的进程 ID。
    • 可能的错误：无。

  • spawn

    • syscall ID: 400
    • C 接口：int spawn(char *file);
    • Rust 接口：fn spawn(file: *const u8);
    • 功能：创建一个子进程并执行目标路径文件，暂时不考虑参数，不要求立即开始执行，相当于 fork + exec。
    • 说明：成功返回子进程 id，否则返回 -1。

  • waitpid

    • syscall ID：260
    • 功能：当前进程等待一个子进程结束，并获取其返回值。
    • C 接口：int waitpid(int pid, int *status);
    • Rust 接口： fn waitpid(pid: i32, status: *mut i32) -> i32;
    • 参数：
      • pid 表示要等待结束的子进程的进程 ID，如果为 0或者-1 的话表示等待任意一个子进程结束；
      • status 表示保存子进程返回值的地址，如果这个地址为 0 的话表示不必保存。
    • 返回值：如果出现了错误则返回 -1；否则返回结束的子进程的进程 ID。
    • 说明:
      • 该 syscall 会导致阻塞。
    • 可能的错误：
      • 进程无未结束子进程。
      • pid 非法或者指定的不是该进程的子进程。
      • 传入的地址 status 不为 0 但是不合法；

lab6

核心目标

实现基于邮箱的进程间通信。

#####　硬性约定

  • 该章节系统调用为生造，实际上没有真实的系统调用。

  • 这一章中，0x90000000 必须没有被 map，必须为非法地址（示例代码也确实没有用到这么高的地址）。

  • 邮箱说明：

    每个进程默认拥有唯一一个邮箱，基于“数据报文”收发字节信息，利用环形buffer存储，读写顺序为 FIFO，不记录来源进程。每次读写单位必须为一个报文，如果缓冲区长度不够，舍弃超出的部分（也就是截断报文）。为了简单，邮箱中最多拥有16条报文，每条报文最大长度256字节。当邮箱满时，发送邮件（也就是写邮箱会失败）。不考虑读写邮箱的权限，也就是所有进程都能够随意读写其他进程的邮箱。

实现
  • mailread
    • syscall ID：401
    • C接口：int mailread(void* buf, int len)
    • Rust接口: fn mailread(buf: *mut u8, len: usize);
    • 功能：读取一个报文，如果成功返回报文长度.
    • 参数：buf: 缓冲区头。len：缓冲区长度。
    • 说明：
      • len > 256 按 256 处理，len < 队列首报文长度且不为0，则截断报文。
      • len = 0，则不进行读取，如果没有报文读取，返回-1，否则返回0，这是用来测试是否有报文可读。
    • 可能的错误：
      • 邮箱空。
      • buf 无效。
  • mailwrite
    • syscall ID：402
    • C接口：int mailwrite(int pid, void* buf, int len)
    • Rust接口: fn mailwrite(pid: usize, buf: *mut u8, len: usize);
    • 功能：向对应进程邮箱插入一条报文.
    • 参数：pid: 目标进程id。buf: 缓冲区头。len：缓冲区长度。
    • 说明：
      • len > 256 按 256 处理，
      • len = 0，则不进行写入，如果邮箱满，返回-1，否则返回0，这是用来测试是否可以发报。
      • 可以向自己的邮箱写入报文。
    • 可能的错误：
      • 邮箱满。
      • buf 无效。

lab7

核心目标

实现磁盘简单读写与管理。

#####　硬性约定

  • 本章为扩展实验，请先理解参考代码并实现（可以拷贝代码）基础文件管理和读写。
  • 暂不考虑删除文件，不可以使用 unlink 删除文件。
实现

  • open

    • syscall ID：56

    • 功能：打开一个文件，并返回可以访问它的文件描述符。

    • C 接口：int open(int dirfd, char* path, unsigned int flags, unsigned int mode);

    • Rust 接口：fn open(dirfd: usize, path: *const u8, flags: u32, mode: u32);

    • 参数：

      • dirfd: 仅为了兼容性考虑，本次实验中始终为 AT_FDCWD (-100)。可以忽略。

      • path 描述要打开的文件的文件名（简单起见，文件系统不需要支持目录，所有的文件都放在根目录 / 下），

      • flags 描述打开文件的标志，具体含义（其他参数不考虑）：

        #define O_RDONLY  0x000
#define O_WRONLY  0x001
#define O_RDWR    0x002		// 可读可写
#define O_CREATE  0x200

      • mode 仅在创建文件时有用，表示文件的访问权限，为了简单，本次实验中统一为 O_RDWR。

    • 说明：

      • 有 create 标志但文件存在时，忽略 create 标志，直接打开文件。

    • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回可以访问给定文件的文件描述符。

    • 可能的错误：

      • 文件不存在且无 create 标志。
      • 标志非法（低两位为 0x3）
      • 打开文件数量达到上限。

  • close

    • syscall ID：57
    • 功能：关闭一个文件。
    • C 接口：int close(int fd);
    • Rust 接口：fn close(fd: i32) -> i32;
    • 参数：fd 为文件描述符。
    • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回 0。
    • 可能的错误：
      • 传入的文件描述符 fd 并未被打开或者为保留句柄。

  • link

    • syscall ID: 37
    • 功能：创建一个文件的一个硬链接，含义课堂讲授。
    • Ｃ接口：int linkat(int olddirfd, char* oldpath, int newdirfd, char* newpath, unsigned int flags)
    • Rust 接口：fn linkat(olddirfd: i32, oldpath: *const u8, newdirfd: i32, newpath: *const u8, flags: u32) -> i32
    • 参数：
      • olddirfd，newdirfd: 仅为了兼容性考虑，本次实验中始终为 AT_FDCWD (-100)，可以忽略。
      • flags: 仅为了兼容性考虑，本次实验中始终为 0，可以忽略。
      • oldpath：原有文件路径
      • newpath: 新的链接文件路径。
    • 说明：
      • 为了方便，不考虑新文件路径已经存在的情况（属于未定义行为），除非链接同名文件。
    • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回 0。
    • 可能的错误
      • 链接同名文件。

  • unlink

    • syscall ID: 35
    • 功能：取消一个文件路径到文件的链接。
    • Ｃ接口：int unlinkat(int dirfd, char* path, unsigned int flags)
    • Rust 接口：fn unlinkat(dirfd: i32, path: *const u8, flags: u32) -> i32
    • 参数：
      • dirfd: 仅为了兼容性考虑，本次实验中始终为 AT_FDCWD (-100)，可以忽略。
      • flags: 仅为了兼容性考虑，本次实验中始终为 0，可以忽略。
      • path：文件路径。
    • 说明：
      • 为了方便，不考虑使用 unlink 彻底删除文件的情况。
    • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回 0。
    • 可能的错误
      • 文件不存在。

  • fstat

    • syscall ID: 80

    • 功能：获取文件状态。

    • Ｃ接口：int fstat(int fd, struct Stat* st)

    • Rust 接口：fn fstat(fd: i32, st: *mut Stat) -> i32

    • 参数：

      • fd: 文件描述符

      • st: 文件状态结构体

        struct Stat {
	uint64 dev,		// 文件所在磁盘驱动器号，不考虑 
	uint64 ino,		// inode 文件所在 inode 编号
	uint32 mode,	// 文件类型
	uint32 nlink,	// 硬链接数量，初始为1
	uint64 pad[7],	// 无需考虑，为了兼容性设计
}

// 文件类型只需要考虑:
＃define DIR 0o040000		// directory
＃define FILE 0o100000		// ordinary regular file

      • 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回 0。

      • 可能的错误

        • fd 无效。
        • st 地址非法。