微型操作系统的设计与实现1.pdf
1MOS 微型操作系统的设计与实现微型操作系统的设计与实现1 李红卫(江苏技术师范学院 计算机科学与工程学院，江苏 常州 213001)摘要摘要：本文介绍一个基于Intel 80 x86 CPU实模式下的多任务微型操作系统MOS的设计与实现。着重阐述了MOS的层次结构、内存布局、引导程序设计、进程管理、上下文切换、信号量管理、内存管理、文件系统、I/O管理、用户接口以及MOS命令处理程序。MOS可作为嵌入式操作系统，它易于扩充和移植。关键字关键字：MOS 微型操作系统；层次结构；进程；上下文切换 中图分类号：TP316 文献标识码：A Design and Implementation of MOS Mini Operating System Li Hongwei(School of Computer Science and Engineering,Jiangsu Teachers University of Technology,Changzhou 213001,China)Abstract:The paper introduces the design and the Implementation of a simple multi-task mini operating system(MOS)based on Intel 80 x86 CPU real model.It expounds the hierarchical structure of MOS,memory layout,design of bootstrap,process management,context switch,semaphore management,memory management,file system,I/O management,user interface and MOS command processor.MOS can be as a embedded operating system.Its extensible and portable.Key words:MOS mini operating system;hierarchical structure;process;context switch 1 引言引言 在嵌入式系统开发中往往需要一个微型操作系统，而目前常用的操作系统复杂而庞大，为此，本文提出设计一个简单的基于 Intel 80 x86 CPU 实模式下的多任务实时微型操作系统MOS（Mini Operating System），实现了处理机与进程管理、存储管理、设备管理、文件系统，中断管理等功能，能很好地应用在嵌入式系统开发中。2 MOS 系统结构及内存布局系统结构及内存布局 MOS微型操作系统采用层次式模块化结构，如图1所示。最底层的硬件和硬件之上的ROM-BIOS是PC机本身具有的，MOS依赖于ROM-BIOS。MOS-IOS（MOS Input/Output System）层是MOS系统的输入/输出层，提供了基本的输入/输出功能。在MOS-IOS之上是各种管理模块，包括进程控制、信号量管理、时钟管理、内存管理、文件系统和I/O管理等功能，这些功能通过MOS提供的系统调用为用户程序服务。MOS命令处理程序是用户操作计算机的接口。MOS系统运行于Intel 80 x86 CPU实模式下，可管理的内存空间为1MB，图2是MOS系统内存布局。整个内存空间分为三部分，第一部分是系统空间，从0 x00000至0 x31fff共200KB；第二部分是用户空间，从0 x32000至0 x9ffff共440KB；第三部分是PC机保留的空间，从0 xa0000至0 xfffff共384KB。3 MOS引导程序的设计引导程序的设计 当PC机加电后，首先执行ROM-BIOS初始化系统，然后将引导盘中的引导记录装入内存0 x7C00处并执行，由引导记录完成操作系统的加载。MOS系统以1.44MB的3.5寸软磁盘为载体，其引导记录在软盘的0面0道1扇区。本系统充分利用这一扇区的512个字节实现更多的 1 江苏省高校自然科学研究资助项目：项目名称：RTEMS嵌入式实时操作系统的研究，颁发部门：江苏省教育厅，编号：06KJD520052，项目主请人：李红卫。2功能，通过软中断INT 0 x90实现读/写磁盘扇区，读/写文件分配表，查找文件簇号等基本功能。图1的MOS-IOS的功能代码包含在引导程序中。引导程序的主要功能是初始化MOS运行环境，把MOS系统装入内存，并将CPU控制权交给MOS，因此，引导程序需要在磁盘中寻找MOS系统文件，找到后将其装入内存并运行。4 MOS各功能模块的设计各功能模块的设计 4.1 进程管理进程管理 MOS系统采用可剥夺调度方式，以优先级高者优先的调度算法分配处理机。进程可在就绪、运行和阻塞三个状态之间变迁，其状态转换如图3所示。获得处理机的进程处于运行状态，在就绪链表中等待处理机的进程为就绪状态，运行中的进程因等待事件的发生进入阻塞状态。用于进程控制的系统调用有三个：(1)创建进程 SysCreateProc：创建进程的主要工作是为新创建的进程申请一个空闲的进程控制块PCB、一个堆栈，并初始化堆栈和填写PCB信息，然后以优先级大小将新创建的进程插入到就绪链表中，等待进程调度程序的调度。(2)删除进程 SysDelProc：处于运行状态的进程可将自己删除。(3)进程延迟 SysTimeDly：执行该系统调用使处于运行状态的进程睡眠若干个时钟。当某一进程睡眠时间到，会由时钟中断处理程序将其唤醒。中断向量表(1KB)0 x00000 BIOS数据区(256B)0 x00400 磁盘缓冲区(1KB)0 x00500 FAT表缓冲区(5KB)0 x00900 引导程序0 x01D00 引导程序的栈空间0 x01F00 MOS(64KB)0 x02000 0 x12000 0 x32000 用户空间(440KB)0 xA0000 视频显示 RAM(128KB)存储堆和数据区(128KB)0 xC0000 VGA/其他卡上的 ROM BIOS0 xE0000 其他 BIOS 映射区 0 xF0000 ROM BIOS 映射区 0 xFFFFF 图 2 MOS系统内存布局图硬件 ROM-BIOS MOS-IOS 进程控制模块 信号量管理模块时钟管理模块内存管理模块文件系统模块 I/O管理模块MOS系统调用接口 图 1 MOS操作系统层次结构 MOS命令处理程序 用户调用MOS系统调用接口应用程序 34.2 进程上下文切换进程上下文切换 因MOS系统采用优先级高者优先调度算法，因此，就绪链表中的进程需按优先级大小进行排列，其链首进程就是当前正在运行的进程。涉及进程调度的两个全局变量，一个是MOSPCBCur，它代表当前正在处理机上运行的进程，一个是MOSRDLPCB，它代表就绪链表的首进程。通常情况下这两个变量值应该相等，若不相等，则说明当前就绪链表发生了变化，或者来了一个更高优先级的进程，或者当前运行的进程由于阻塞而离开就绪链表，此时进程调度程序应重新选择就绪链表中的首进程来运行。当发生进程调度时，最重要的步骤是进程上下文切换。在MOS系统中进程的运行环境存放在各自的堆栈中，因此上下文切换的工作不难想像，其实现步骤如下：(1)将当前运行进程的运行环境保存在它的堆栈中；(2)将堆栈信息（堆栈的段地址和栈顶指针）保存在它的进程控制块PCB中；(3)将MOSRDLPCB的值赋给变量MOSPCBCur，使就绪链表的队首进程成为当前运行进程；(4)从MOSPCBCur所指进程的进程控制块PCB中恢复该进程的堆栈空间；(5)从栈中恢复MOSPCBCur所指进程的运行环境；(6)实现进程上下文切换。MOS系统的进程上下文切换是通过执行软中断指令INT 0 x81实现的，在进入和退出该中断处理程序时所用的堆栈是不一样的，进入时用的是被切换下来的进程的堆栈，退出时用的是将要运行的进程的堆栈，MOS系统正是利用这一特点实现进程上下文切换。4.3 信号量管理信号量管理 在MOS系统中定义了信号量，利用信号量实现进程的同步与互斥。与信号量相关的系统调用有四个：(1)创建信号量 SysCreateSem：创建一个信号量对象，并为该信号量赋初值，返回信号量对象标识，在应用程序中根据信号量对象标识对信号量进程操作。(2)删除信号量 SysDelSem：删除指定的信号量。(3)P操作 P：对指定的信号量对象执行P操作，当执行P操作后，信号量值小于0时，进程将阻塞在信号量的等待队列中，并引起进程调度，否则调用者进程继续运行。(4)V操作 V：对指定的信号量对象执行V操作，当信号量值小于等于0时，将唤醒信号量等待队列中的队首进程，插入就绪链表中，并引起进程调度，否则调用者进程继续运行。4.4 内存管理内存管理 在MOS系统中，从内存地址0 x22000开始的64KB内存作为内存堆供应用程序使用。采用首次适应可变式分区存储管理技术，使用带辅助位示图的位示图数据结构对内存进行管理。将内存按节划分，每一节大小固定，比如32B，位示图中的每一位对应一个节，由位的值反映该节是已分配状态(0)还是未分配状态(1)。辅助位示图与位示图结合起来实现内存的回收。在初始化时，位示图的所有位为1，表示所有内存空闲，辅助位示图的所有位为0，表示每一节都可以是分配的起点。当某一进程申请大小为N节的一段内存，则在位示图中查找连续N个为1的位，找到后将这N位清0，其对应的辅助位示图除第一位不变仍为0外其余位置1。即在辅助位示图中，值为1的位表示该位对应的节与它的前一位对应的节属于同一个段；值为0运行就绪 阻塞进程调度被抢先等待事件 的发生某事件发生 图 3 MOS 系统中进程三状态转换图 4的位表示该位对应的节是一个段的起始节，或表示这个节未分配出去。如图4所示位示图与辅助位示图，从位示图的前两行看，已分配出去的节有：第0节至第4节，第7节至第12节。对照辅助位图可知，已分配出去的11节是4个段，其中第1段占用第0节至第3节，第2段占用第4节，第3段占用第7节至第10节，第4段占用第11节和第12节。0 0 0 0 0 1 1 00 1 1 1 0 0 0 00 0 0 0 0 1 1 11 1 1 0 1 0 0 01 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0(a)位示图 (b)辅助位示图 图 4 位示图与辅助位示图内存管理 根据位示图和辅助位示图非常容易地实现内存的分配和回收。在MOS系统中提供了两个用于内存管理的系统调用，分别是：(1)申请内存 SysMemAllocate：申请N节大小的内存空间。(2)释放内存 SysMemFree：释放内存空间，提供释放内存空间的起始地址即可将内存归还给系统。4.5 文件系统文件系统 FAT文件系统是常用的文件系统，在MOS系统中实现了FAT文件系统，并提供了与文件操作相关的5个系统调用，分别是：(1)在磁盘上创建一个新文件 SysCreateFile。(2)打开一个已存在的文件 SysOpenFile。(3)写文件 SysWriteFile：向文件中写信息。(4)读文件 SysReadFile：读文件内容。(5)关闭文件 SysCloseFile：关闭已打开的文件。4.6 I/O 管理管理 由于外围设备特性各异，因而I/O管理是操作系统中最复杂的模块。在MOS系统中实现了串行通信设备管理，提供了4个用于串行通信设备管理的系统调用，分别是：(1)打开串行通信设备 SysOpenIO：该系统调用的主要功能是对串口COM1和COM2初始化，并允许8259A可响应它们发来的中断。初始化时设置传输位8位，停止位1位，无校验码，波特率为19200bps。(2)写串行通信设备 SysWriteIO：首先将要写的信息放到输出缓冲区中；其次，允许串口产生发送中断信号请求。(3)读串行通信设备 SysReadIO：因串行通信中断处理程序处理接收中断时，已将数据存入输入缓冲区中，故该系统调用，只需到输入缓冲区中取数据即可。若输入缓冲区为空，则返回0 xff表示无数据可读，否则从输入缓冲区中读一个数据返回。(4)关闭串行通信设备 SysCloseIO：将串口中断屏蔽即可实现关闭串行通信设备。4.7 用户接口用户接口 MOS操作系统向用户提供了18个系统调用，系统调用总的入口地址通过中断向量实现，其中断向量码为0 x80。当用户使用系统调用时，将功能号和各输入参数放入指定的寄存器中，通过执行软中断指令INT 0 x80实现系统调用。上述过程需要使用汇编指令来实现，这给用户编程带来一定的困难，因此，MOS系统向用户提供以函数形式使用系统调用的功能，比如创建进程系统调用SysCreateProc，在用户编程创建进程时使用的函数原型是：unsignd MosCreateProc(unsignd segV,unsignd offV,char prio)，该函数有三个形参，前两个形参分别是被创建进程代码的段地址值和偏移量，第三个形参是被创建进程的优先级。函数返回值为被创建进程的进程标识。通过使用函数简化了用户程序的设计。4.8 MOS 命令处理程序命令处理程序 MOS命令处理程序给用户使用计算机提供一个控制台文本接口，通过键盘输入命令。在系统启动时，MOS命令处理程序创建一个IDLE的系统进程，其优先级最低，由它负责接收用户键盘输入，并执行相应的命令。命令分为内部命令和外部命令，内部命令只有一个显 5示磁盘目录的DIR命令，外部命令是以文件的形式存储在磁盘中，文件采用EXE可执行文件格式。当IDLE接收到外部命令时，在磁盘中查找外部命令，并将其装入内存为其创建新的进程，然后让它运行。当系统中有用户进程时，IDLE一直处于循环等待用户进程的结束，一旦系统中没有用户进程，IDLE又重新接收键盘命令。5 结束语结束语 本文创新点：基于 PC 机设计和实现一个简单的功能较全的 MOS 多任务微型操作系统，整个系统源代码 2 千余行，采用层次结构设计模型，除引导程序与部分关键代码使用汇编语言编写外，大部分代码使用 C 语言编写，易于对系统扩充和移植。目前，作者正着手将MOS 移植到基于 ARM 技术的 S3C44B0X 处理器上。另外，将 MOS 系统应用在操作系统课程的实践教学中也是一个不错的选择。参考文献：参考文献：1 Labrosse J J.邵贝贝译.源码公开的实时嵌入式操作系统UC/OS-II(第 2 版)M.北京：北京航空航天大学出版社,2003 2 于渊.自己动手写操作系统M.北京:电子工业出版社,2006 3 张志义，谢凯年 嵌入式实时操作系统 PetOS 设计与实现 J 微计算机信息，2007，7-2：43-45 作者简介:李红卫(1966-),男(汉族),山西阳城人,江苏技术师范学院副教授，硕士，主要研究方向：嵌入式操作系统。Biography:Li Hongwei(1966-),male,Associate professor of Jiangsu Teachers University of Technology,Master degree,Research Area:Embedded Operating System.(213001 江苏技术师范学院)李红卫
