淺談元件機制與作業系統的實現

淺談元件機制與作業系統的實現

1 引言

當前，操作系統的功能不斷擴充套件，作業系統的型別呈現出多樣化的趨勢。一個小規模的開發小組已經不可能完全從頭開始實現一個實用的作業系統，而一般情況下，研究人員只對作業系統的一些特定領域感興趣，而對於另外一些元素,如啟動載入程式碼、核心啟動程式碼、裝置驅動程式和記憶體分配程式碼等往往不感興趣，但是一個可執行的原型系統又必須包含這些內容。編寫這些基礎結構延緩了作業系統研究專案的進度，同時也增加了進行作業系統研究的代價。為了解決這一問題，猶他大學的FLUX研究小組開發了OSKit，它提供了一個框架和一組模組化的、具有簡單介面的庫以及一組清晰的、可重用的OS元件。OSKit可以用來構建作業系統核心、外層服務和其他核心OS功能模組。OSKit提供了各種功能模組，諸如簡單自舉，一個可用於核心的最小化POSIX環境、與物理記憶體和其約束一致的記憶體管理、廣泛的除錯支援，以及高層子系統如協議棧和檔案系統。開發者可以根據自己的研究興趣或所要考慮的效能來使用這些模組，或用他們自己的模組來替代標準的OSKit模組。

OSKit公開了它內部的實現細節，允許使用者從成熟的作業系統中不加修改地提取程式碼，然後通過一小部分經過仔細設計的粘接程式碼將它們合併到一起，隔離它們的依賴性，並輸出良好定義的介面。OSKit使用這一技術整合了許多穩定而成熟的原始碼，包括裝置驅動、檔案系統、網路協議等等。實踐表明，使用元件軟體架構和重用技術會給作業系統實現領域帶來大的影響。

2 元件技術簡介

元件技術是一種較新的軟體開發技術。到目前為止，還難以確定元件技術的明確定義。比如，對元件技術的常見說法有以下這些：“二進位制軟體單元”、“任意場合可部署的軟體”、“特別適合第三方開發”和“規範定義的介面”等等。大致上可以這樣理解：所謂元件，其實就是一種可部署軟體的程式碼包，其中包括某些可執行模組。元件單獨開發並作為軟體單元使用，它具有明確的介面，軟體就是通過這些介面呼叫元件所能提供的服務，多種元件可以聯合起來構成更大型的元件乃至直接建立整個系統。元件的實現必須支援一種或者多種其使用者所希望獲得的介面。實現元件並不一定需要採用物件導向語言。為了構造新應用程式，軟體開發人員找出適當的元件，將這些元件加入到正在開發中的應用程式，同時對應用程式進行測試並保證應用程式的組裝工作按照預定的規劃正常進行。採用元件技術能降低開發、測試和維護成本,提高可靠性和穩定性。

3 Oskit元件綜述

OSKIT的元件庫提供了一般情況下更高層的功能，它通常只對外開放一些相關的公用呼叫介面。目標系統通過OSKit的物件導向的COM介面來與這些元件進行互動。以下幾節概述了OSKit所提供的元件。

3． 1 載入程式

大多數作業系統多有自身的啟動載入機制，彼此互不相容。這種載入機制的多樣性並不是由於每個OS所要求的自舉服務不同而引起，而是由於構建啟動載入器的特定方式造成的。因為從作業系統研究的立場來看，啟動載入器是一個令人不敢興趣的領域，因此OS開發者通常進行一個最小化、快捷的設計。由於設計理念和要求的輕微差別，每個啟動載入器都不適用於下一個OS。為了解決這個問題，OSKit直接支援多啟動標準，這一標準是由幾個OS專案的成員共同設計的，它的目的是提供一個簡單而通用的啟動載入器與OS核心間的介面，從而允許一個啟動載入器載入任何相容的OS。

在進行作業系統研究時，多啟動標準非常有用，這其中的主要原因是啟動載入器在載入核心自身的同時還具有載入附加檔案或者啟動模組的能力。這裡的一個啟動模組只是一個普通檔案，啟動載入器不以任何方式解釋它，而僅僅把它隨同核心映像一起載入到保留實體記憶體塊中。在啟動核心時，啟動載入器提供給核心以下內容：實體地址的列表、所有已載入的啟動模組的大小，以及與每個模組相聯絡的由使用者定義的字串。這些啟動模組和與它們相聯絡的使用者定義的字串由核心解釋。這樣做的目的是為了通過提供核心啟動時需要的資料，諸如初始化程式、裝置驅動和檔案系統伺服器，來減輕核心啟動的負擔。

3．2核心支援庫

OSKit核心支援庫的主要用途是讓客戶OS更容易訪問硬體設施。它包含了一個較大的實用函式和符號定義的集合，該集合對於管理模式程式碼是非常具體的。與此相對應，OSKit的大多數其他庫在使用者模式程式碼中通常很有用。和OSKit的其餘部分所不同的是，多數核心支援程式碼必須是針對特定系統結構的，而這些特定機器的細節對客戶OS也是有用的。例如，在x86機器上，核心支援庫包含一些函式，用來建立和操縱x86頁表和段暫存器。其他OSKit元件通常提供建立在這些低層機制上的與體系結構無關的設施，但是為了提供最大的靈活性，與特定結構相關的介面始終可以被訪問。

OSKit核心支援庫在x86體系結構上尤為重要，因為該體系結構的OS級程式設計環境特別複雜和模糊。核心支援庫仔細地設定了一個基本的32位執行環境（為了與MS-DOS相容，x86處理器通常以16位模式開始）,初始化段和頁轉換表，安裝一箇中斷向量表，並提供預設的陷阱和中斷處理程式。當然，客戶OS能夠修改或過載這些行為。然而，在預設情況下，核心支援庫自動地做所有必要的工作，以便使處理器進入一個方便的執行環境，此時中斷、陷阱、除錯以及其他標準設施已經如預期的那樣開始工作。該庫在預設情況下自動地定位所有隨核心載入的啟動模組，並保留它們所在的實體記憶體。接下來，應用程式可以很容易使用它們。客戶OS只需以標準C語言風格提供一個main()函式。一切都設定好以後，核心支援庫將用所有引數和由啟動載入器傳遞過來的環境變數來呼叫它。

3．3記憶體管理庫

如同在一個標準C語言庫中實現的malloc()一樣，記憶體管理程式碼典型地用於使用者空間。通常並不適用於核心。裝置驅動常常需要分配特定型別的記憶體，並伴隨具體的調整屬性。例如，對於內建的DMA控制器只能訪問最初的16M實體記憶體。為解決這些記憶體管理問題，OSKit包含了兩個簡單而靈活的記憶體管理庫：(1)基於佇列的記憶體管理器（或稱LMM）,它提供了功能強大且高效的原語來進行分配管理，並支援在一個池中管理多種型別的記憶體。(2)地址對映管理器（或稱AMM）被設計用來管理不必直接對映到實體記憶體或虛擬記憶體的地址空間，它對OS的其他方面提供了類似的支援，諸如程序地址空間、分頁、空閒塊或IPC名字空間的管理。儘管這些庫可以很容易地應用在使用者空間，但實際上它們是被特別設計用來滿足OS核心的需求。

3．4 最小C語言庫

成熟的OS核心一般都包含著相當數量的僅僅用來重新實現基本的C語言庫函式如printf()和malloc()的程式碼。與此形成對比的是，OSKit提供了一個最小化C語言函式庫，它圍繞著最小化依賴性而不是最大化函式性和效能的原則來設計。

3．5除錯支援

OSKit的一個最實用的好處是：給定一個適當的硬體設定，它立刻就能提供給OS開發者一個完全原始碼級的.核心除錯環境。OSKit核心支援庫包括一個可用於GNU偵錯程式（GDB）的序列存根模組，它在客戶OS環境中處理陷阱，並使用GDB的標準遠端除錯協議通過一個序列程式與執行在另一臺機器上的GDB通訊。甚至當客戶機OS執行自己的陷阱處理時，OSKit的GDB存根模組也是可用的。如果客戶OS提供適當的鉤子，它甚至支援多執行緒除錯。除了基本的偵錯程式支援，OSKit也提供了一個記憶體分配除錯庫，它可以跟蹤記憶體分配並檢測一般的錯誤，如緩衝區溢位和釋放已釋放的記憶體。這個庫提供了與許多普通應用程式偵錯程式相似的功能性，所不同的是它執行在由OSKit提供的最小核心環境中

3．6 裝置驅動支援

在OS開發和維護中最艱鉅的一個任務是支援多種多樣的I/O硬體。這些複雜的裝置常會含有潛在的錯誤，而新硬體的釋出又常常伴隨著不相容的軟體介面。由於這些原因，OSKit採用了為現有核心開發的穩定的、經過充分測試的驅動程式。OSKit使用了一種封裝技術，將現有的驅動程式程式碼基本上未加修改地合併到OSKit中。這些現有的驅動程式被一個OSKit粘結程式碼層所包裝，從而使得這些驅動程式可以在與開發它們的環境完全不同的環境中工作。目前，來自Linux的大多數乙太網卡、SCSI和IDE磁碟的裝置驅動程式被包括進來，總數超過了五十種。用同樣的方式，來自FreeBSD的八個字元裝置驅動程式也被包含了進來，它們支援標準PC控制檯和串列埠及不同的多串列埠板。由於OSKit把這些驅動仔細地進行了包裝，FreeBSD驅動程式可以與Linux驅動程式一起工作。

3．7 協議棧

OSKit提供了一個完整的TCP/IP網路協議棧。如同驅動程式一樣，有關網路的程式碼也可以通過封裝機制被合併進來。OSKit當前可以從Linux中獲取網路裝置驅動程式，它們是PC平臺可獲得的最大的免費資源。OSKit的網路元件繼承於FreeBSD4.4,它通常被認為具有更多成熟的網路協議。這顯示了使用封裝機制將現有軟體包裝成靈活的元件的第二個優點：即從不同的資源中獲取最好的元件，並讓它們一起被使用。

3．8檔案系統

通過使用封裝技術，OSKit吸收了NetBSD的基於磁碟的檔案系統程式碼。NetBSD之所以被選擇為首要資源庫，是因為在可用的系統中，它的檔案系統程式碼被最清晰地分離了出來，而FreeBSD和Linux的檔案系統與它們的虛擬記憶體系統結合的更緊密。當前，OSKit也把Linux檔案系統合併了進來，以便能夠支援多種型別的檔案系統格式，如Windows95、OS/2和System V的檔案系統格式等等。

OSKit檔案系統輸出的COM介面類似於許多Unix檔案系統所使用的內部VFS介面。這些介面具有很好的粒度，使我們可以不必接觸OSKit檔案系統的內部。例如，OSKit介面只接受簡單的路徑名元件，允許安全封裝的程式碼執行適當的訪問許可檢查。

4 OSKit的現狀

自從在1996年6月釋出了OSKit的第一個公開發行版以來，OSKit已經更新了多次，每次更新都增加了一些演算法，並修正了一些錯誤。最新的發行版是2002年3月的版本。由此可見，OSKit一直處於作業系統開發平臺的前沿，其自身也在不斷完善和發展。

5 結論

作為一個作業系統研究與開發的平臺，OSKit大大減輕了作業系統研究與開發者的負擔。它可以讓開發人員避開復雜的底層，而把興趣集中與他們所感興趣的領域。開發者可以用自己編寫的元件來取代OSKit中的部分元件，以滿足自己特定的需要，從而豐富了作業系統的應用層。總之，OSKit滿足了實際客戶系統的需求，有助於作業系統的研究與開發。