第五章 OSKit的應用實例--一個簡單系統的設計與實現
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。
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。
3. 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。
4. 我們自己所完成的工作：
4.1 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，初始化使串口能在多線程環境下正常工作的數據結構。
4.2 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。
4.3 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。
5. 使用方法
5.1 安裝
使用者需要在Linux下鍵入 tar -zxvf acos-0.0.1.tar.gz 。
./setup ,詳細的安裝信息請參見README文件。
5.2 使用
根據我們所提供的API手冊編寫自己的應用程序，然後將這些應用程序的源文件編譯成一個filename.o，用戶通過執行acbuild filename.o命令將該應用程序與操作系統內核相鏈接。根據你所希望使用的引導方法執行mkXXXimage命令生成所需要的核心映像，選擇恰當的裝入程序裝入啟動核心映像。
5.3 用戶編程接口
如果您對操作系統的概念有所了解，並詳細閱讀了我們為您提供的技術文檔之後，便可以利用用戶編程接口自行開發了。以下我將向各位詳細介紹每個接口所提供的功能，希望對您能有所幫助。
5.3.1 管理線程的API ：
線程創建
ac_thread_create ( void *name, void *arg, int *out_thread_id );
設置線程的優先級
ac_thread_setprio(int thread_id, int pri);
撤銷線程
ac_thread_cancel(int thread_id);
線程休眠
ac_thread_sleep(ac_s64_t millisecond);
將該線程與某一個線程相關聯
ac_thread_join(int tid, void **status);
5.3.2 管理互斥量的API
初始化互斥量
ac_mutex_init ( ac_pthread_mutex_t* mutex,
ac_pthread_mutexattr_t* attr);
設置互斥量協議
ac_mutexattr_setprotocol ( ac_pthread_mutexattr_t* attr,
int protocol);
設置互斥量類型
ac_mutexattr_settype ( ac_pthread_mutexattr_t* attr,
int type);
初始化互斥量屬性
ac_mutexattr_init(ac_pthread_mutexattr_t* attr);
互斥量加鎖
ac_mutex_lock(ac_pthread_mutex_t *mutex);
互斥量解鎖
ac_mutex_unlock(ac_pthread_mutex_t *mutex);
撤銷互斥量
ac_mutex_destroy(ac_pthread_mutex_t *mutex);
5.3.3 管理IPC的API
消息發送（ IPC機制 ）
ac_ipc_send ( int thread_id, void* msg, ac_size_t msgsize,
ac_s32_t timeout);
3.2消息接受（ IPC機制 ）
ac_ipc_recv(int thread_id, void* msg, ac_size_t msgsize,
ac_size_t *actual, ac_s32_t timeout);
消息等待（ IPC機制 ）
ac_ipc_wait(int *src_id, void *msg, ac_size_t msgsize,
ac_size_t *actual, ac_s32_t timeout);
接受同步消息
ac_ipc_reply(int desthread, void *msg, ac_size_t msg_size);
發送同步消息
ac_ipc_call(int dst, void *send_msg, ac_size_t send_msg_size,
void *recv_msg, ac_size_t recv_msg_size,
ac_size_t *actual,ac_s32_t timeout);
5.3.4 管理條件變量的API
條件變量初始化
ac_cond_init(ac_pthread_cond_t *cond,
ac_pthread_condattr_t* attr);
某線程等待條件變量
ac_cond_wait(ac_pthread_cond_t *cond,
ac_pthread_mutex_t *mutex);
喚醒等待該條件變量的線程
ac_cond_signal(ac_pthread_cond_t *cond);
符合條件變量的線程廣播：
ac_cond_broacast(ac_pthread_cond_t *cond);
5.3.5 硬件部分
打開串口
ac_serial_open(int serial_num, ac_u32_t flags);
監聽串口
ac_serial_listen(int serial_num, ac_u32_t flags);
關閉串口
ac_serial_close(ac_ttystream_t* a_stream);
從串口讀
ac_serial_read(ac_ttystream_t* s, void *buf, ac_u32_t len,
ac_u32_t *out_actual);
往串口寫
ac_serial_write(ac_ttystream_t* s, const void *buf,
ac_u32_t len, ac_u32_t *out_actual);
5.4 應用程序示例
為了讓使用者能夠對我們的這個小系統有更加深入的了解，我們制作了一些例子供使用者參考。這些例子包括最簡單的"Hello World"，串口讀寫、線程調度、線程間通信，哲學家算法等等。
應用程序的示例可以在examples目錄下找到。