Nachos操作系统课设：系统调用Exec与Exit实现

"本文档是山东大学计算机科学与技术学院操作系统课程的一份实验报告，由黄博文同学完成。实验主要涉及Nachos操作系统中的系统调用实现，特别是exec和exit两个系统调用，以及地址空间的扩展。实验旨在让学生深入理解操作系统的工作机制，尤其是系统调用在程序执行过程中的作用。" 在操作系统中，系统调用是用户程序与操作系统内核交互的重要方式。本实验选择了 Nachos 操作系统作为平台，Nachos 是一个简化版的操作系统，常用于教学目的，可以帮助学生更好地理解和实现操作系统的基本功能。 实验的第一部分是 Nachos 用户程序与系统调用。系统调用是操作系统提供给用户程序的一组接口，允许程序请求操作系统执行特定的任务，如创建新进程、读写文件等。在这里，学生需要实现 exec 和 exit 两个系统调用。exec 系统调用用于替换当前进程的地址空间，加载并执行一个新的程序。exit 系统调用则用于结束当前进程的执行，并返回一个退出状态。 实验的第二部分涉及地址空间的扩展。在 Nachos 中，地址空间的管理采用了分页策略。通过修改代码，学生需要实现物理页和虚拟页之间的转换，以便当用户程序需要更大的地址空间（例如，定义大数组）时，操作系统能够动态分配和管理这些内存。 实验中，学生在 AddrSpace 类中添加了 Print() 函数，用于打印地址空间的页表，这有助于调试和理解页表的工作方式。页表记录了虚拟页到物理页的映射，是分页存储管理的关键数据结构。 实验的实现步骤包括使用 MIPS 交叉编译器将源代码编译为 COFF 格式，再转化为 NOFF 格式，使得 Nachos CPU 能识别并执行。此外，学生需要阅读 machine、schedule 和 addrspace 三个类的源代码，理解系统调用的执行流程。 在用户程序 halt.c 中，通过定义一个静态数组，实验模拟了用户程序对地址空间的需求，从而展示了如何在运行时动态分配和扩展地址空间。实验还包含了编写测试代码进行验证，确保系统调用和地址空间扩展功能的正确性。 通过这个实验，学生不仅学习了系统调用的实现，还深入理解了地址空间管理和分页机制，这对于理解操作系统的内部运作和优化程序性能至关重要。