Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка к курсовому проекту

Создание POSIX-совместимой операционной системы для встраиваемых устройств

Содержание

• Введение

1. Теоретические сведения

• 2. Обзор существующих аналогов
• 3. Постановка задачи
• 4. Проектирование
• 4.1 Объекты ядра
• 4.2 Службы ядра
• 4.3 Процесс загрузки
• 4.4 Взаимодействие ядра и программного обеспечения
• 5. Интерфейс пользователя
• Заключение
• Список использованных материалов
• Приложения


Введение

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами - с одной стороны - и прикладными программами с другой. Разработчикам программного обеспечения операционных систем позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций. В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS) [5].

Операционная система, сокр. ОС (англ. operating system, OS) - комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны - предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения [5].

Основные функции:

1. Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

2. Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

3. Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

4. Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

5. Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

6. Обеспечение пользовательского интерфейса.

7. Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

8. Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

9. Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.



1. Теоретические сведения

Предшественником операционных систем следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т.п.).

В 1950-1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции "пакетного режима" исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в "монопольном" режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать "многопользовательские" системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) - в пакетном режиме.

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора - "реальным" (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и "защищённым" (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Классификация

По количеству одновременных пользователей:

Однопользовательские - один пользователь во все время работы ОС

Многопользовательские - переключение между пользователями

По выполнению задач

Однозадачные - следующую задачу можно выполнить, лишь полностью остатовив предыдущую

Многозадачные - задачи выполняются попеременно или одновременно, каждой задаче выделяется квант времени процессора, и каждый процессор выполняет отдельную задачу.

По структуре ядра:

1. С монолитным ядром

2. С модульным ядром

3. С экзоядром

4. Гибридные

ОСРВ (операционные системы реального времени) применяются там, где требуется синхронизация между внешними физическими процессами и программами в ОС. ОСРВ может гарантировать завершение определенных внутренних операций за конкретное время.

Распределенные ОС:

РОС управляют несколькими компьютерами одновременно (обычно связанными сетью) так, что они выглядят как одна единая система.

Встраиваемые ОС:

Предназначены для использования во встраиваемых системах, таких как бортовые компьютеры автомобилей, бытовая техника, мобильные устройства. Оперируют очень ограниченными ресурсами и имеют компактный дизайн.

POSIX (Portable Operating System Interface for Unix - Переносимый интерфейс операционных систем Unix) - набор стандартов, описывающих интерфейсы между операционной системой и прикладной программой. Стандарт создан для обеспечения совместимости различных UNIX-подобных операционных систем и переносимости прикладных программ на уровне исходного кода, но может быть использован и для не-Unix систем. Серия стандартов POSIX была разработана комитетом 1003 IEEE. Международная организация по стандартизации (ISO) совместно c Международной электротехнической комиссией (IEC) приняли данный стандарт (POSIX) под названием ISO/IEC 9945.

Стандарт состоит из четырёх основных разделов:

Основные определения (Base definitions) - список основных определений и соглашений, используемых в спецификациях, и список заголовочных файлов языка Си, которые должны быть предоставлены соответствующей стандарту системой.

Оболочка и утилиты (Shell and utilities) - описание утилит и командной оболочки sh, стандарты регулярных выражений.

Системные интерфейсы (System interfaces) - список системных вызовов языка Си.

Обоснование (Rationale) - объяснение принципов, используемых в стандарте [2].



2. Обзор существующих аналогов

Linux

Рисунок 1 - интерфейс ОС Linux

Плюсы:

- Бесплатная

- Огромный выбор приложений

- Богатые возможности системного программирования

- Хорошо спроектированная структура

Минусы:

- Относительно большой размер базовой установленной системы

QNX

Рисунок 2 - интерфейс ОС QNX



Плюсы:

- ОС реального времени

- Микроядро

- Высокая скорость работы

Минусы:

- Платная для коммерческого использования

Windows CE

Рисунок 3 - интерфейс ОС Windows CE

Плюсы:

- Поддержка реального времени

- Низкое потребление памяти (работает на 32 кб RAM)

- Доступ к Win32 API при программировании

Минусы:

- Платная



3. Постановка задачи

Требуется разработать 64-битную операционную систему (OC) с поддержкой подмножества стандарта POSIX.1-2004 (IEEE Std 1003.1).

ОС должна выполняться на PC с архитектурой х86-64, дисковыми накопителями PATA и VESA-совместимыми графическими адаптерами с поддержкой VESA BIOS Extensions (VBE) - на виртуальных машины Bochs и VirtualBox.

Со стороны разработчика ПО

1. Возможность разработки и сборки ПО для разрабатываемой ОС при помощи GNU GCC, и GNU Binutils; должна быть предоставлена стандартная библиотека С, реализующая требуемое подмножество системных функций POSIX.1.

2. Возможность запуска скомпилированного ПО в формате ELF64 на разрабатываемой ОС.

Со стороны пользователя

ОС должна предоставлять пользовательский интерфейс в виде POSIX XCU совместимой командной оболочки текстового режима.

Функции ядра ОС

XBD 4.1 - Concurrent Execution - ОС должна поддерживать одновременное выполнение нескольких процессов, запускаемых пользователем либо системой

XBD 4.5 - File Hierarchy - ОС должна реализовывать иерархическую файловую систему (ФС) с возможностью соединения нескольких ФС путем точек монтирования

XBD 4.6 - Filenames

XBD 4.11 - Pathname Resolution

XBD 4.12 - Process ID Reuse

XBD 4.13 - Scheduling Policy - метод планирования задач - вытесняющая многозадачность с блокировками и ожиданием процессов

XBD 8.1 - Environment Variable Definition

XBD 10.1 - Directory Structure and Files - ОС должна предоставлять запущенным программам доступ к файловой системе, включая специальные устройства POSIX (block devices) и терминалы (character devices; режим доступа к терминалу - неканонический).

XBD 10.2 - Output Devices and Terminal Types - при выводе на экран ОС должна эмулировать поведение терминала VT-102, включая различные атрибуты символов и управление курсором

XBD 11. - General Terminal Interface - XSH 2.3 - Error Numbers

XSH 2.4 - Signal Concepts

XSH 2.5 - Standard I/O Streams

Поддержка оборудования

Ядро ОС должно быть совместимо со спецификацией Multiboot 0.6 и поддерживать загрузку при помощи загрузчика GRUB 2.

Поддержка чтения и записи файловой системы FAT32, расположенной на первом разделе накопителя, подключенного через канал ATA Primary Master.

Поддержка ввода символов с клавиатуры

Поддержка вывода текстовой информации на монитор через VESA-совместимый графический адаптер с поддержкой расширенных графических режимов (стандарт VBE 2.0).

Комплект поставки

ОС должна включать в себя оболочку командной строки и набор утилит, аналогичных GNU Coreutils, совместимых со стандартном IEEE 1003.1 XCU.



4. Проектирование

4.1 Объекты ядра

Поток - минимальная вычислительная единица. В каждый момент времени активен один поток, остальные - хранят свое последнее состояние и ожидают в очереди планировщика. Каждый поток обладает отдельным стеком, адресным пространством и ссылкой на текущий объект ожидания.

Объект ожидания - объект, описывающий причину "засыпания" потока и логику его "просыпания". Поддерживается вечное ожидание, ожидание таймаута, ожидание данных в потоке, ожидание окончания порожденного подпроцесса. операционный программный posix код

Процесс - объединяет в себе несколько потоков, набор открытых файлов, обработчиков сигналов, переменные окружения и прочую информацию.

Адресное пространство - соответствие между страницами виртуальной памяти и фреймами физической памяти. Одна и та же область физической памяти может быть "смонтирована" в разные адресные пространства по разным адресам.

Фрейм - минимальная единица физической памяти, которая может быть присоединена к адресному пространству.

Файл - представление потока данных в ядре. Существуют различные типы: файл на диске, memory stream, директория, pipe, PTY.

VFS (virtual file system, виртуальная файловая система) - ФС, объединяющая несколько реальных ФС путем монтирования.

4.2 Службы ядра

Аллокатор кучи ядра - управляет распределением памяти в куче (heap) ядра, выделяя и освобождая память по запросу других сервисов. Используется классический аллокатор Doug Lea's malloc.

Аллокатор фреймов - управляет распределением фреймов физической памяти. Используется bitmap-аллокатор.

Менеджер процессов - планирует выполнение задач, а также управляет жизненным циклом процессов.

Загрузчик ELF - выполняет разбор ELF64-файлов и загрузку кода и данных из них в память процесса.

Менеджер прерываний - управляет IDT, обработкой прерываний и IRQ, а также сохраняет состояние процессора при входе в обработчик и восстанавливает его после выхода.

Менеджер системных вызовов - выполняет диспетчеризацию системных вызовов, поступающих от приложений.

4.3 Процесс загрузки

Ядро ОС загружается загрузчиком GRUB с диска и размещается в первых 16 Мб памяти, начиная с адреса 0х100000 (1 Мб). 32-битный загрузочный код ядра сохраняет векторы прерываний реального режима, настраивает страничную адресацию первых 8 Мб и переводит процессор в 64-битный режим.

После этого начинается исполнение 64-битного С-кода.

Настраивается полноценная страничная адресация (ядро в первых 16 Мб и куча ядра в верхней половине виртуальной памяти). Инициализируется эмулятор терминала. Заполняется IDT, устанавливаются обработчики исключений, таймера PIT, клавиатуры. Включается планировщик задач, создаются поток простоя (idle thread) и поток, ответственный за перерисовку терминала.

Создается VFS, к ней подключаются корневая и прочие файловые системы (devfs, procfs). С диска загружается исполняемый файл /bin/init и запускается на выполнение в отдельном процессе.

Позже, при остановке системы, init будет выполнять остановку прочих процессов и запрос на отключение питания.

4.4 Взаимодействие ядра и программного обеспечения

Взаимодействие ядра и пользовательского программного обеспечения происходит посредством набор системных вызовов, которые реализованы, используя инструкции быстрых системных вызовов AMD64 SYSCALL и SYSRET. Шлюзовый код входа в системные вызовы, который несет ответственность за восстановление состояния процессора после системного вызова, расположен непосредственно в ядре (первые 16 Мб памяти).

Номера и сигнатуры, а также соглашения о вызове соответствуют таковым в 64-битных ядрах Linux, за счет чего достигается бинарная совместимость с этой системой.

Список реализованных системных вызовов:

0x00 sys_read - чтение файла

0x01 sys_write - запись в файл

0x02 sys_open - открытие файла

0x03 sys_close - закрытие файла

0x04 sys_stat - получение информации о файле

0x05 sys_fstat - получение информации о файловом дескрипторе

0x07 sys_poll - ожидание данных в файле

0x08 sys_lseek - перемещение текущей позиции в файле

0x09 sys_mmap - создание общей области памяти (memory map)

0x0b sys_munmap - освобождение memory map

0x0c sys_brk - запрос дополнительной памяти

0x0d sys_rt_sigaction - установка/чтение обработчика сигнала POSIX

0x0e sys_sigprocmask - установка маски сигналов POSIX

0x10 sys_ioctl - управление устройствами

0x14 sys_writev - множественная запись в файл

0x15 sys_access - проверка доступа к файлу

0x16 sys_pipe - создание pipe

0x20 sys_dup - дубликация файлового дескриптора

0x23 sys_nanosleep - ожидание

0x27 sys_getpid - получение PID текущего процесса

0x39 sys_fork - дубликация процесса

0x3b sys_execve - замена текущего процесса новым

0x3c sys_exit - выход

0x3d sys_wait4 - ожидание завершения дочернего процесса

0x3e sys_kill - отправка сигнала процессу

0x3f sys_uname - получение информации о системе

0x48 sys_fcntl - управление файловым дескриптором

0x49 sys_flock - блокировка файла

0x4a sys_fsync - сбор буфера файла

0x4f sys_getcwd - получение текущего каталога

0x50 sys_chdir - смена текущего каталога

0x52 sys_rename - переименование файла

0x57 sys_unlink - удаление файла

0x59 sys_readlink - чтение символьной ссылки

0x60 sys_gettimeofday - получение даты и времени

0x63 sys_sysinfo - получение информации о системе

0xa2 sys_sync - сброс всех файловых буферов

0xa9 sys_reboot - перезагрузка и отключение системы

0xc9 sys_time - получение времени

0xd9 sys_getdents64 - чтение каталога



5. Интерфейс пользователя

Пользователь взаимодействует с системой путем ввода текстовых команд через оболочку пользователя (shell). Используется открытая оболочка Busybox HUSH (см. рисунок 4).

Рисунок 4 - пример сессии

Оболочка поддерживает базовые возможности написания скриптов (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - работа интерпретатора скриптов

Благодаря поддержке ACPI, питание может быть автоматически отключено при завершении работы. Init проконтролирует правильное завершение всех процессов (см. рисунок 6).



Рисунок 6 - завершение работы



Заключение

В процессе выполнения курсового проекта были изучены и проанализированы принципы построения современных операционных систем. Изучены особенности работы с 64-битным режимом процессоров Intel, взаимодействия пользовательского ПО с ядром ОС, портирования существующего ПО на новую операционную систему.

В итоге было создана операционная система, демонстрирующая основные принципы POSIX, и позволяющая запускать пользовательское ПО, а также имеющая совместимость на уровне исходного кода с любым ПО, придерживающимся спецификаций POSIX.



Список использованных материалов

1. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual Volume 3A; System Programming Guide

2. Tanenbaum A., Modern Operating Systems. 3rd ed. / Tanenbaum A. - Prentice Hall, 2014 - 1104 p.

3. Tanenbaum A., Woodhull A., Modern Operating Systems. 3rd ed. / Tanenbaum A., Woodhull A. - Prentice Hall, 2010 - 1080 p

4. OSDev [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://wiki.osdev.org

5. Wikipedia [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/Операционная_система



Приложения

Приложение А

Диаграммы

Диаграмма классов файловой системы

Рисунок 7 - диаграмма классов файловой системы

Диаграмма последовательности ввода с клавиатуры

Рисунок 8 - диаграмма последовательности ввода с клавиатуры

Use-Case диаграмма

Рисунок 9 - диаграмма Use-Case приложения



В данном use-case процесс (Actor) пытается прочитать данные из файла.

Actors: Process

Поток событий: Основной поток

Начало: Use-case начинается, когда процесс начинает считывание файла. Процесс открывает файл системным вызовом sys_open(), читает его при помощи sys_read() и закрывает вызовом sys_close().

Проверка: ядро проверяет переданные через системные вызовы файловые дескрипторы и пути.

Альтернативный поток 1: Отказать в открытии. Задан неправильный путь к файлу либо файл не существует. Вернуть значение ENOFILE.

Альтернативный поток 2: Отказать в чтении. Файловый дескриптор доступен только для записи. Вернуть значение EINVAL.

Альтернативный поток 3: Отказать в закрытии. Передан неверный файловый дескриптор. Вернуть значение EBADFD.

Приложение Б

Расширенное техническое задание

Конечный продукт: 64-битная операционная система (OC) с поддержкой подмножества стандарта POSIX.1-2004 (IEEE Std 1003.1).

Предполагаемые среды выполнения: PC с архитектурой х86-64, дисковыми накопителями PATA и VESA-совместимыми графическими адаптерами с поддержкой VESA BIOS Extensions (VBE) - виртуальные машины Bochs и VirtualBox.

Необходимая функциональность

Со стороны разработчика ПО

1. Возможность разработки и сборки ПО для разрабатываемой ОС при помощи GNU GCC, и GNU Binutils; должна быть предоставлена стандартная библиотека С, реализующая требуемое подмножество системных функций POSIX.1.

2. Возможность запуска скомпилированного ПО в формате ELF64 на разрабатываемой ОС.

Функции ядра ОС

1. Реализация базовых принципов из разделов стандарта IEEE 1003.1:

- XBD 4.1 - Concurrent Execution

- ОС должна поддерживать одновременное выполнение нескольких процессов, запускаемых пользователем либо системой

- XBD 4.5 - File Hierarchy

- ОС должна реализовывать иерархическую файловую систему (ФС) с возможностью соединения нескольких ФС путем точек монтирования

- XBD 4.6 - Filenames

- XBD 4.11 - Pathname Resolution

- XBD 4.12 - Process ID Reuse

- XBD 4.13 - Scheduling Policy

- метод планирования задач - вытесняющая многозадачность с блокировками и ожиданием процессов

- XBD 8.1 - Environment Variable Definition

- XBD 10.1 - Directory Structure and Files

- ОС должна предоставлять запущенным программам доступ к файловой системе, включая специальные устройства POSIX (block devices) и терминалы (character devices; режим доступа к терминалу - неканонический).

- XBD 10.2 - Output Devices and Terminal Types

- при выводе на экран ОС должна эмулировать поведение терминала VT-102, включая различные атрибуты символов и управление курсором

- XBD 11. - General Terminal Interface

- XSH 2.3 - Error Numbers

- XSH 2.4 - Signal Concepts

- XSH 2.5 - Standard I/O Streams

Комплект поставки

- ОС должна включать в себя оболочку командной строки и набор утилит, аналогичных GNU Coreutils, совместимых со стандартном IEEE 1003.1 XCU.



Приложение В

Использованные сокращения

- ОС - операционная система

- ФС - файловая система

- POSIX - Portable Operating System Interface

- IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

- PC - personal computer

- BIOS - basic input/output system

- VESA - Video Electronics Standards Association

- VBE - VESA BIOS Extensions

- PATA - Parallel AT Attachment

- ELF64 - Executable & Linkable Format, 64-bit

- FAT32 - File Allocation Table, 32-bit

- GCC - GNU C Compiler

- XBD - POSIX Base Definitions Volume

- XSH - POSIX System Interfaces Volume

- XCU - POSIX Shell and Utilities Volume

Размещено на Allbest.ru

...