第六章OSKit的應用實例：一個簡單系統的設計與實現
6.1設計目的
OSKit是一個用來幫助我們研發操作系統的工具，如果你想更好的掌握它，除了對其本身進行分析之外，還有一個更加實際的方法，那就是利用這個工具開發一個我們自己的操作系統。
我們開發這個系統的初衷主要是為了學習，因此並沒有想把它設計成像Windows、UNIX那麼復雜。我們的目標是很明確的，那就是在大致搞明白OSKit應當如何使用之後，做一次嘗試，用較短的時間，設計出一個具有一些最基本功能的系統。這對於我們課題組的每名成員來說，都意味著挑戰。
6.2系統的功能
這個系統支持些什麼？這是在開始設計之前我們要首先確定的一個問題。下面列出了一些我們希望實現的功能。
通過Multiboot或者LILO進行系統引導：這個系統可以通過所有支持Multiboot的引導程序進行引導，或者通過引導Linux的LILO進行引導。引導方式可以根據用戶的要求，選擇是通過軟盤還是硬盤。
多線程：用戶可以通過我們提供的系統調用，創建或殺死自己的線程。由於並不支持文件系統，因此新的線程恐怕只能是一個函數了。從理論上講，我們可以讓這個系統支持很多線程，但因為這僅僅是一個簡單的演示性系統，因此我們把線程數限制在32個，當然這個數字也可根據用戶的需求任意更改。
進程間通信：這個系統可以支持一些簡單的進程間通信機制，比如信號量、消息隊列等等。
外設：在眾多的外設之中，我們選擇了應用范圍比較廣的串口。利用目前OSKit所提供的機制，支持更多的設備是不成問題的，但加在這個系統中意義並不十分的大。另外，需要強調的是，訪問串口的方法，是由我們自己規定，不允許用戶更改。
簡單的內存管理：應用程序需要的內存可以通過malloc函數動態申請。
總體構想
在該操作系統中，我們規定用戶只能創建用戶級線程，所有對於核心的操作都將由系統來完成。線程采用RR調度算法，也就是時間片輪轉法，並允許搶占，線程在該系統中有四種狀態，它們是運行態、阻塞態、睡眠態和就緒態，用戶可以設定和改變線程的優先級。在線程中用戶可以動態申請內存，但是需要由用戶來釋放。線程間提供簡單的通信機制，包括信號量和消息隊列。
在設備方面，對於終端，本系統將提供簡單的輸入輸出功能。而對於串口的功能，本系統可以完整的實現，也就是說，用戶既可以從串口讀也可以向串口寫。
為了方便起見，我們為這個系統起一個很簡單的名字，叫acos，這個名字並沒有什麼實際的意義，僅僅為了叫起來方便。
雖然OSKit已經為我們提供了很多設計操作系統所必須的功能，比如內存分配中的malloc函數，通過Multiboot引導等等。然而，仍有許多工作是要由我們自己完成。
6.3我們自己所完成的工作：
6.3.1系統的啟動
這裡我們所說的系統啟動，並不是指通常人們所說的通過軟盤或硬盤引導，而是在引導結束之後，操作系統的核心進程如何啟動第一個用戶進程。通常，在UNIX系統中，內核啟動之後，內核程序會去執行文件系統上的init程序，這個程序是整個操作系統中的第一個用戶進程，剩下的進程，都必須通過這個進程才能啟動。在acos中，我們規定，用戶必須要提供一個acos_init( ) 函數，系統在啟動初始化工作全部完成之後，acos_init( )函數將被作為系統中的第一個進程啟動。這之後的工作，就完全由用戶來完成了。
當進程acos_init( ) 結束時，整個系統也將終止運行。
在acos_init( )啟動之前，究竟還有哪些事情需要做呢？下面我們就列出要做的事情：
對整個系統進行初始化，注冊設備，檢測設備，初始化設備需要的數據結構，初始化線程庫，創建線程需要的數據結構。
6.3.2線程管理
所謂操作系統的線程管理，一般包括了一下的三大部分：線程的創建，線程間通信和線程調度。
線程的創建包括了初始化線程和創建線程的屬性。
線程間通信中，我們使用了信號量，條件變量。
在線程調度中，用戶線程只能使用時間片輪轉法作為調度算法，並且規定在調度過程中調度算法不允許更改。
6.3.3 外設（串口）
在UNIX系統中，所有的設備都可以通過文件系統進行訪問，讀、寫設備就像讀寫文件一樣。在我們設計的這個acos中，並沒有對文件系統提供支持，也不提供像讀寫文件系統一樣的方法來訪問設備。但是，我們提供一套基本的函數，供用戶線程對串口進行讀寫操作，這些函數專門用於處理串口。
一個設備在同一時刻只能被一個線程使用，因此，在使用設備以前要申請，只有申請成功的線程才能夠使用設備。
6.3.4 應用程序示例
為了能讓各位老師對我們的演示系統一目了然，我們特地選取了在操作系統中比較有代表性的4個例子供大家欣賞，它們是，哲學家算法，時鐘演示，線程調度和中斷響應。
所需的資源：演示前三個例子需要一台intel 386或更新的計算機，一張1.44MB的軟盤；演示第四個例子除了上述設備之外，還需要一根串口線，一台裝有Windows 9x的計算機作發送機，並在其上安裝有能向串口發送信息的軟件。
1.哲學家算法
哲學家算法也稱哲學家進餐的同步問題，最早是在1965年由Dijkstra提出並解決的。下面我就簡單描述一下這個經典IPC問題的大意：7個哲學家圍坐在一張圓桌周圍，每個哲學家面前有一個碟通心面，由於面條很滑，所以要用兩把叉子才能夾住。相鄰兩個碟子之間有一把叉子。哲學家的生活包括三種狀態：即吃飯，思考和挨餓，當一個哲學家覺得餓時，他試圖分兩次去取他左邊和右邊的叉子，每次拿一把，但不分次序。如果成功地獲得了兩把叉子，他就開始吃飯，吃完以後放下叉子繼續思考。這裡的問題是：為每一個哲學家寫一段程序來描述起行為，要求不能死鎖。
在這個例子中我們設定了7個哲學家，且不允許哲學家餓死。我們為每個哲學家創建一個線程，把叉子看作條件變量，讓線程等待條件變量，如果滿足條件，則線程執行(哲學家的吃飯狀態)，執行一定時間之後，釋放條件變量，進入休眠狀態（哲學家的思考狀態），當休眠時間過去之後，線程被喚醒，重新等待條件變量（哲學家的挨餓狀態）。
2．時鐘演示
計算機是以嚴格精確的時間進行數值運算和數據處理的，最基本的時間單元是時鐘周期，OSKit最小可以精確到納秒一級，其時鐘系統的特點是允許在系統時鐘之上創建自己的時鐘，用於控制周期性線程。
我們的演示系統的源代碼看似比較簡單，但實際上卻是建立在一個龐大的時間系統之上的，這個時間系統是整個操作系統活動的動力。
我們的演示程序將演示控制計算機的時鐘計時( 每400毫秒顯示一次 )，計時10次後返回初始菜單。
3．線程調度
在此個演示程序中，一開始有兩個線程，它們所采取的調度算法是時間片輪轉法，與此同時還有一個優先級最高的線程在休眠，它每400毫秒睡醒一次，打斷此時處於運行狀態的線程，那個優先級最高的線程轉執行態，等它執行完它的時間片之後，前兩個線程繼續執行。
4．中斷響應
這個例子演示了操作系統對外設的支持，我們選擇了串口。演示這個例子，需要兩台計算機和一根串口線，其中一台計算機安裝我們的演示系統，另一台需要有一個向串口發送信息的軟件，此軟件我們是用Delphi編寫的，運行在Windows 98系統下，兩台計算機用我們自己制作的串口線相連。演示程序的一開始，有兩個優先級相同的線程在時間片輪轉。當我們從另一台裝有Windows 98的機器上給演示機發送信息時，原來處於運行狀態的兩個線程被中斷，演示機會成功的收到發送機發送的信息，然後等待操作人員的處理，是否繼續運行該例子或者退出。
