淺談組件機(jī)制和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　當(dāng)前，操作系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)展，操作系統(tǒng)的類型呈現(xiàn)出多樣化的趨向。一個(gè)小規(guī)模的開發(fā)小組已經(jīng)不可能完全從頭開始實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的操作系統(tǒng)，而一般情況下，探究人員只對(duì)操作系統(tǒng)的一些特定領(lǐng)域感喜好，而對(duì)于另外一些元素,如啟動(dòng)加載代碼、核心啟動(dòng)代碼、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)存分配代碼等往往不感喜好，但是一個(gè)可運(yùn)行的原型系統(tǒng)又必須包含這些內(nèi)容。編寫這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)延緩了操作系統(tǒng)探究項(xiàng)目的進(jìn)度，同時(shí)也增加了進(jìn)行操作系統(tǒng)探究的代價(jià)。為了解決這一新問(wèn)題，猶他大學(xué)的FLUX探究小組開發(fā)了OSKit，它提供了一個(gè)框架和一組模塊化的、具有簡(jiǎn)單接口的庫(kù)以及一組清楚的、可重用的OS組件。OSKit可以用來(lái)構(gòu)建操作系統(tǒng)內(nèi)核、外層服務(wù)和其他核心OS功能模塊。OSKit提供了各種功能模塊，諸如簡(jiǎn)單自舉，一個(gè)可用于內(nèi)核的最小化POSIX環(huán)境、和物理內(nèi)存和其約束一致的內(nèi)存管理、廣泛的調(diào)試支持，以及高層子系統(tǒng)如協(xié)議棧和文件系統(tǒng)。開發(fā)者可以根據(jù)自己的探究喜好或所要考慮的性能來(lái)使用這些模塊，或用他們自己的模塊來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)的OSKit模塊。

　　OSKit公開了它內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，答應(yīng)用戶從成熟的操作系統(tǒng)中不加修改地提取代碼，然后通過(guò)一小部分經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)的粘接代碼將它們合并到一起，隔離它們的依靠性，并輸出良好定義的接口。OSKit使用這一技術(shù)整合了許多穩(wěn)定而成熟的源代碼，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等等。實(shí)踐表明，使用組件軟件架構(gòu)和重用技術(shù)會(huì)給操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域帶來(lái)大的影響。

　　2 組件技術(shù)簡(jiǎn)介

　　組件技術(shù)是一種較新的軟件開發(fā)技術(shù)。到目前為止，還難以確定組件技術(shù)的明確定義。比如，對(duì)組件技術(shù)的常見說(shuō)法有以下這些摘要：“二進(jìn)制軟件單元”、“任意場(chǎng)合可部署的軟件”、“非凡適合第三方開發(fā)”和“規(guī)范定義的接口”等等。大致上可以這樣理解摘要：所謂組件，其實(shí)就是一種可部署軟件的代碼包，其中包括某些可執(zhí)行模塊。組件單獨(dú)開發(fā)并作為軟件單元使用，它具有明確的接口，軟件就是通過(guò)這些接口調(diào)用組件所能提供的服務(wù)，多種組件可以聯(lián)合起來(lái)構(gòu)成更大型的組件乃至直接建立整個(gè)系統(tǒng)。組件的實(shí)現(xiàn)必須支持一種或者多種其用戶所希望獲得的接口。實(shí)現(xiàn)組件并不一定需要采用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。為了構(gòu)造新應(yīng)用程序，軟件開發(fā)人員找出適當(dāng)?shù)慕M件，將這些組件加入到正在開發(fā)中的應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試并保證應(yīng)用程序的組裝工作按照預(yù)定的規(guī)劃正常進(jìn)行。采用組件技術(shù)能降低開發(fā)、測(cè)試和維護(hù)成本,提高可靠性和穩(wěn)定性。

　　3 Oskit組件綜述

　　OSKIT的組件庫(kù)提供了一般情況下更高層的功能，它通常只對(duì)外開放一些相關(guān)的公用調(diào)用接口。目標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)OSKit的面向?qū)ο蟮腃OM接口來(lái)和這些組件進(jìn)行交互。以下幾節(jié)概述了OSKit所提供的組件。

　　3. 1 引導(dǎo)程序

　　大多數(shù)操作系統(tǒng)多有自身的啟動(dòng)加載機(jī)制，彼此互不兼容。這種加載機(jī)制的多樣性并不是由于每個(gè)OS所要求的自舉服務(wù)不同而引起，而是由于構(gòu)建啟動(dòng)加載器的特定方式造成的。因?yàn)閺牟僮飨到y(tǒng)探究的立場(chǎng)來(lái)看，啟動(dòng)加載器是一個(gè)令人不敢喜好的領(lǐng)域，因此OS開發(fā)者通常進(jìn)行一個(gè)最小化、快捷的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)理念和要求的稍微差別，每個(gè)啟動(dòng)加載器都不適用于下一個(gè)OS。為了解決這個(gè)新問(wèn)題，OSKit直接支持多啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)是由幾個(gè)OS項(xiàng)目的成員共同設(shè)計(jì)的，它的目的是提供一個(gè)簡(jiǎn)單而通用的啟動(dòng)加載器和OS內(nèi)核間的接口，從而答應(yīng)一個(gè)啟動(dòng)加載器加載任何兼容的OS。

　　在進(jìn)行操作系統(tǒng)探究時(shí)，多啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)非常有用，這其中的主要原因是啟動(dòng)加載器在加載內(nèi)核自身的同時(shí)還具有加載附加文件或者啟動(dòng)模塊的能力。這里的一個(gè)啟動(dòng)模塊只是一個(gè)普通文件，啟動(dòng)加載器不以任何方式解釋它，而僅僅把它隨同內(nèi)核映像一起加載到保留物理內(nèi)存塊中。在啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)，啟動(dòng)加載器提供給內(nèi)核以下內(nèi)容摘要：物理地址的列表、所有已加載的啟動(dòng)模塊的大小，以及和每個(gè)模塊相聯(lián)系的由用戶定義的字符串。這些啟動(dòng)模塊和和它們相聯(lián)系的用戶定義的字符串由內(nèi)核解釋。這樣做的目的是為了通過(guò)提供內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)需要的數(shù)據(jù)，諸如初始化程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)服務(wù)器，來(lái)減輕內(nèi)核啟動(dòng)的負(fù)擔(dān)。

　　3.2核心支持庫(kù)

　　OSKit核心支持庫(kù)的主要用途是讓客戶OS更輕易訪問(wèn)硬件設(shè)施。它包含了一個(gè)較大的實(shí)用函數(shù)和符號(hào)定義的集合，該集合對(duì)于管理模式代碼是非常具體的。和此相對(duì)應(yīng)，OSKit的大多數(shù)其他庫(kù)在用戶模式代碼中通常很有用。和OSKit的其余部分所不同的是，多數(shù)核心支持代碼必須是針對(duì)特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，而這些特定機(jī)器的細(xì)節(jié)對(duì)客戶OS也是有用的。例如，在x86機(jī)器上，核心支持庫(kù)包含一些函數(shù)，用來(lái)創(chuàng)建和操縱x86頁(yè)表和段寄存器。其他OSKit組件通常提供建立在這些低層機(jī)制上的和體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)施，但是為了提供最大的靈活性，和特定結(jié)構(gòu)相關(guān)的接口始終可以被訪問(wèn)。

　　OSKit核心支持庫(kù)在x86體系結(jié)構(gòu)上尤為重要，因?yàn)樵擉w系結(jié)構(gòu)的OS級(jí)編程環(huán)境非凡復(fù)雜和模糊。核心支持庫(kù)仔細(xì)地設(shè)置了一個(gè)基本的32位執(zhí)行環(huán)境(為了和MS-DOS兼容，x86處理器通常以16位模式開始),初始化段和頁(yè)轉(zhuǎn)換表，安裝一個(gè)中斷向量表，并提供缺省的陷阱和中斷處理程序。當(dāng)然，客戶OS能夠修改或重載這些行為。然而，在缺省情況下，核心支持庫(kù)自動(dòng)地做所有必要的工作，以便使處理器進(jìn)入一個(gè)方便的執(zhí)行環(huán)境，此時(shí)中斷、陷阱、調(diào)試以及其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施已經(jīng)如預(yù)期的那樣開始工作。該庫(kù)在缺省情況下自動(dòng)地定位所有隨內(nèi)核加載的啟動(dòng)模塊，并保留它們所在的物理內(nèi)存。接下來(lái)，應(yīng)用程序可以很輕易使用它們�？蛻鬙S只需以標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言風(fēng)格提供一個(gè)main()函數(shù)。一切都設(shè)置好以后，內(nèi)核支持庫(kù)將用所有參數(shù)和由啟動(dòng)加載器傳遞過(guò)來(lái)的環(huán)境變量來(lái)調(diào)用它。

　　3.3內(nèi)存管理庫(kù)

　　如同在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言庫(kù)中實(shí)現(xiàn)的malloc()一樣，內(nèi)存管理代碼典型地用于用戶空間。通常并不適用于內(nèi)核。設(shè)備驅(qū)動(dòng)經(jīng)常需要分配特定類型的內(nèi)存，并伴隨具體的調(diào)整屬性。例如，對(duì)于內(nèi)建的DMA控制器只能訪問(wèn)最初的16M物理內(nèi)存。為解決這些內(nèi)存管理新問(wèn)題，OSKit包含了兩個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的內(nèi)存管理庫(kù)摘要：(1)基于隊(duì)列的內(nèi)存管理器(或稱LMM),它提供了功能強(qiáng)大且高效的原語(yǔ)來(lái)進(jìn)行分配管理，并支持在一個(gè)池中管理多種類型的內(nèi)存。(2)地址映射管理器(或稱AMM)被設(shè)計(jì)用來(lái)管理不必直接映射到物理內(nèi)存或虛擬內(nèi)存的地址空間，它對(duì)OS的其他方面提供了類似的支持，諸如進(jìn)程地址空間、分頁(yè)、空閑塊或IPC名字空間的管理。盡管這些庫(kù)可以很輕易地應(yīng)用在用戶空間，但實(shí)際上它們是被非凡設(shè)計(jì)用來(lái)滿足OS內(nèi)核的需求。

　　3.4 最小C語(yǔ)言庫(kù)

　　成熟的OS內(nèi)核一般都包含著相當(dāng)數(shù)量的僅僅用來(lái)重新實(shí)現(xiàn)基本的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)如printf()和malloc()的代碼。和此形成對(duì)比的是，OSKit提供了一個(gè)最小化C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)，它圍繞著最小化依靠性而不是最大化函數(shù)性和性能的原則來(lái)設(shè)計(jì)。

　　3.5調(diào)試支持

　　OSKit的一個(gè)最實(shí)用的好處是摘要：給定一個(gè)適當(dāng)?shù)挠布�設(shè)置，它馬上就能提供給OS開發(fā)者一個(gè)完全源代碼級(jí)的內(nèi)核調(diào)試環(huán)境。OSKit內(nèi)核支持庫(kù)包括一個(gè)可用于GNU調(diào)試器(GDB)的串行存根模塊，它在客戶OS環(huán)境中處理陷阱，并使用GDB的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議通過(guò)一個(gè)串行程序和運(yùn)行在另一臺(tái)機(jī)器上的GDB通信。甚至當(dāng)客戶機(jī)OS執(zhí)行自己的陷阱處理時(shí)，OSKit的GDB存根模塊也是可用的。假如客戶OS提供適當(dāng)?shù)你^子，它甚至支持多線程調(diào)試。除了基本的調(diào)試器支持，OSKit也提供了一個(gè)內(nèi)存分配調(diào)試庫(kù)，它可以跟蹤內(nèi)存分配并檢測(cè)一般的錯(cuò)誤，如緩沖區(qū)溢出和釋放已釋放的內(nèi)存。這個(gè)庫(kù)提供了和許多普通應(yīng)用程序調(diào)試器相似的功能性，所不同的是它運(yùn)行在由OSKit提供的最小內(nèi)核環(huán)境中

　　3.6 設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持

　　在OS開發(fā)和維護(hù)中最艱巨的一個(gè)任務(wù)是支持多種多樣的I/O硬件。這些復(fù)雜的設(shè)備常會(huì)含有潛在的錯(cuò)誤，而新硬件的發(fā)布又經(jīng)常伴隨著不兼容的軟件接口。由于這些原因，OSKit采用了為現(xiàn)有內(nèi)核開發(fā)的穩(wěn)定的、經(jīng)過(guò)充分測(cè)試的驅(qū)動(dòng)程序。OSKit使用了一種封裝技術(shù)，將現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序代碼基本上未加修改地合并到OSKit中。這些現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序被一個(gè)OSKit粘結(jié)代碼層所包裝，從而使得這些驅(qū)動(dòng)程序可以在和開發(fā)它們的環(huán)境完全不同的環(huán)境中工作。目前，來(lái)自Linux的大多數(shù)以太網(wǎng)卡、SCSI和IDE磁盤的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被包括進(jìn)來(lái)，總數(shù)超過(guò)了五十種。用同樣的方式，來(lái)自FreeBSD的八個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也被包含了進(jìn)來(lái)，它們支持標(biāo)準(zhǔn)PC控制臺(tái)和串口及不同的多串口板。由于OSKit把這些驅(qū)動(dòng)仔細(xì)地進(jìn)行了包裝，F(xiàn)reeBSD驅(qū)動(dòng)程序可以和Linux驅(qū)動(dòng)程序一起工作。

　　3.7 協(xié)議棧

　　OSKit提供了一個(gè)完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。如同驅(qū)動(dòng)程序一樣，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的代碼也可以通過(guò)封裝機(jī)制被合并進(jìn)來(lái)。OSKit當(dāng)前可以從Linux中獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它們是PC平臺(tái)可獲得的最大的免費(fèi)資源。OSKit的網(wǎng)絡(luò)組件繼續(xù)于FreeBSD4.4,它通常被認(rèn)為具有更多成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這顯示了使用封裝機(jī)制將現(xiàn)有軟件包裝成靈活的組件的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)摘要：即從不同的資源中獲取最好的組件，并讓它們一起被使用。

　　3.8文件系統(tǒng)

　　通過(guò)使用封裝技術(shù)，OSKit吸收了NetBSD的基于磁盤的文件系統(tǒng)代碼。NetBSD之所以被選擇為首要資源庫(kù)，是因?yàn)樵诳捎玫南到y(tǒng)中，它的文件系統(tǒng)代碼被最清楚地分離了出來(lái)，而FreeBSD和Linux的文件系統(tǒng)和它們的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)結(jié)合的更緊密。當(dāng)前，OSKit也把Linux文件系統(tǒng)合并了進(jìn)來(lái)，以便能夠支持多種類型的文件系統(tǒng)格式，如Windows95、OS/2和System V的文件系統(tǒng)格式等等。

　　OSKit文件系統(tǒng)輸出的COM接口類似于許多Unix文件系統(tǒng)所使用的內(nèi)部VFS接口。這些接口具有很好的粒度，使我們可以不必接觸OSKit文件系統(tǒng)的內(nèi)部。例如，OSKit接口只接受簡(jiǎn)單的路徑名組件，答應(yīng)平安封裝的代碼執(zhí)行適當(dāng)?shù)脑L問(wèn)許可檢查。

　　4 OSKit的目前狀況

　　自從在1996年6月發(fā)布了OSKit的第一個(gè)公開發(fā)行版以來(lái)，OSKit已經(jīng)更新了多次，每次更新都增加了一些算法，并修正了一些錯(cuò)誤。最新的發(fā)行版是2002年3月的版本。由此可見，OSKit一直處于操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的前沿，其自身也在不斷完善和發(fā)展。

　　5 結(jié)論

　　作為一個(gè)操作系統(tǒng)探究和開發(fā)的平臺(tái)，OSKit大大減輕了操作系統(tǒng)探究和開發(fā)者的負(fù)擔(dān)。它可以讓開發(fā)人員避開復(fù)雜的底層，而把喜好集中和他們所感喜好的領(lǐng)域。開發(fā)者可以用自己編寫的組件來(lái)取代OSKit中的部分組件，以滿足自己特定的需要，從而豐富了操作系統(tǒng)的應(yīng)用層。總之，OSKit滿足了實(shí)際客戶系統(tǒng)的需求，有助于操作系統(tǒng)的探究和開發(fā)。

　　參考文獻(xiàn)

　　(1) 湯海京 基于面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)開發(fā)平臺(tái)(OSKit)的分析和程序設(shè)計(jì)

　　(2) Michael Hohmuth Using the OSKit as a base for L4 applications

　　(3) Bryan Ford Kevin Van Maren Jay Lepreau Stephen Clawson Bart Robinson Jeff Turner

　　

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