第六章OSKit的应用实例：一个简单系统的设计与实现
6.1设计目的
OSKit是一个用来帮助我们研发操作系统的工具，如果你想更好的掌握它，除了对其本身进行分析之外，还有一个更加实际的方法，那就是利用这个工具开发一个我们自己的操作系统。
我们开发这个系统的初衷主要是为了学习，因此并没有想把它设计成像Windows、UNIX那么复杂。我们的目标是很明确的，那就是在大致搞明白OSKit应当如何使用之后，做一次尝试，用较短的时间，设计出一个具有一些最基本功能的系统。这对于我们课题组的每名成员来说，都意味着挑战。
6.2系统的功能
这个系统支持些什么？这是在开始设计之前我们要首先确定的一个问题。下面列出了一些我们希望实现的功能。
通过Multiboot或者LILO进行系统引导：这个系统可以通过所有支持Multiboot的引导程序进行引导，或者通过引导Linux的LILO进行引导。引导方式可以根据用户的要求，选择是通过软盘还是硬盘。
多线程：用户可以通过我们提供的系统调用，创建或杀死自己的线程。由于并不支持文件系统，因此新的线程恐怕只能是一个函数了。从理论上讲，我们可以让这个系统支持很多线程，但因为这仅仅是一个简单的演示性系统，因此我们把线程数限制在32个，当然这个数字也可根据用户的需求任意更改。
进程间通信：这个系统可以支持一些简单的进程间通信机制，比如信号量、消息队列等等。
外设：在众多的外设之中，我们选择了应用范围比较广的串口。利用目前OSKit所提供的机制，支持更多的设备是不成问题的，但加在这个系统中意义并不十分的大。另外，需要强调的是，访问串口的方法，是由我们自己规定，不允许用户更改。
简单的内存管理：应用程序需要的内存可以通过malloc函数动态申请。
总体构想
在该操作系统中，我们规定用户只能创建用户级线程，所有对于核心的操作都将由系统来完成。线程采用RR调度算法，也就是时间片轮转法，并允许抢占，线程在该系统中有四种状态，它们是运行态、阻塞态、睡眠态和就绪态，用户可以设定和改变线程的优先级。在线程中用户可以动态申请内存，但是需要由用户来释放。线程间提供简单的通信机制，包括信号量和消息队列。
在设备方面，对于终端，本系统将提供简单的输入输出功能。而对于串口的功能，本系统可以完整的实现，也就是说，用户既可以从串口读也可以向串口写。
为了方便起见，我们为这个系统起一个很简单的名字，叫acos，这个名字并没有什么实际的意义，仅仅为了叫起来方便。
虽然OSKit已经为我们提供了很多设计操作系统所必须的功能，比如内存分配中的malloc函数，通过Multiboot引导等等。然而，仍有许多工作是要由我们自己完成。
6.3我们自己所完成的工作：
6.3.1系统的启动
这里我们所说的系统启动，并不是指通常人们所说的通过软盘或硬盘引导，而是在引导结束之后，操作系统的核心进程如何启动第一个用户进程。通常，在UNIX系统中，内核启动之后，内核程序会去执行文件系统上的init程序，这个程序是整个操作系统中的第一个用户进程，剩下的进程，都必须通过这个进程才能启动。在acos中，我们规定，用户必须要提供一个acos_init( ) 函数，系统在启动初始化工作全部完成之后，acos_init( )函数将被作为系统中的第一个进程启动。这之后的工作，就完全由用户来完成了。
当进程acos_init( ) 结束时，整个系统也将终止运行。
在acos_init( )启动之前，究竟还有哪些事情需要做呢？下面我们就列出要做的事情：
对整个系统进行初始化，注册设备，检测设备，初始化设备需要的数据结构，初始化线程库，创建线程需要的数据结构。
6.3.2线程管理
所谓操作系统的线程管理，一般包括了一下的三大部分：线程的创建，线程间通信和线程调度。
线程的创建包括了初始化线程和创建线程的属性。
线程间通信中，我们使用了信号量，条件变量。
在线程调度中，用户线程只能使用时间片轮转法作为调度算法，并且规定在调度过程中调度算法不允许更改。
6.3.3 外设（串口）
在UNIX系统中，所有的设备都可以通过文件系统进行访问，读、写设备就像读写文件一样。在我们设计的这个acos中，并没有对文件系统提供支持，也不提供像读写文件系统一样的方法来访问设备。但是，我们提供一套基本的函数，供用户线程对串口进行读写操作，这些函数专门用于处理串口。
一个设备在同一时刻只能被一个线程使用，因此，在使用设备以前要申请，只有申请成功的线程才能够使用设备。
6.3.4 应用程序示例
为了能让各位老师对我们的演示系统一目了然，我们特地选取了在操作系统中比较有代表性的4个例子供大家欣赏，它们是，哲学家算法，时钟演示，线程调度和中断响应。
所需的资源：演示前三个例子需要一台intel 386或更新的计算机，一张1.44MB的软盘；演示第四个例子除了上述设备之外，还需要一根串口线，一台装有Windows 9x的计算机作发送机，并在其上安装有能向串口发送信息的软件。
1.哲学家算法
哲学家算法也称哲学家进餐的同步问题，最早是在1965年由Dijkstra提出并解决的。下面我就简单描述一下这个经典IPC问题的大意：7个哲学家围坐在一张圆桌周围，每个哲学家面前有一个碟通心面，由于面条很滑，所以要用两把叉子才能夹住。相邻两个碟子之间有一把叉子。哲学家的生活包括三种状态：即吃饭，思考和挨饿，当一个哲学家觉得饿时，他试图分两次去取他左边和右边的叉子，每次拿一把，但不分次序。如果成功地获得了两把叉子，他就开始吃饭，吃完以后放下叉子继续思考。这里的问题是：为每一个哲学家写一段程序来描述起行为，要求不能死锁。
在这个例子中我们设定了7个哲学家，且不允许哲学家饿死。我们为每个哲学家创建一个线程，把叉子看作条件变量，让线程等待条件变量，如果满足条件，则线程执行(哲学家的吃饭状态)，执行一定时间之后，释放条件变量，进入休眠状态（哲学家的思考状态），当休眠时间过去之后，线程被唤醒，重新等待条件变量（哲学家的挨饿状态）。
2．时钟演示
计算机是以严格精确的时间进行数值运算和数据处理的，最基本的时间单元是时钟周期，OSKit最小可以精确到纳秒一级，其时钟系统的特点是允许在系统时钟之上创建自己的时钟，用于控制周期性线程。
我们的演示系统的源代码看似比较简单，但实际上却是建立在一个庞大的时间系统之上的，这个时间系统是整个操作系统活动的动力。
我们的演示程序将演示控制计算机的时钟计时( 每400毫秒显示一次 )，计时10次后返回初始菜单。
3．线程调度
在此个演示程序中，一开始有两个线程，它们所采取的调度算法是时间片轮转法，与此同时还有一个优先级最高的线程在休眠，它每400毫秒睡醒一次，打断此时处于运行状态的线程，那个优先级最高的线程转执行态，等它执行完它的时间片之后，前两个线程继续执行。
4．中断响应
这个例子演示了操作系统对外设的支持，我们选择了串口。演示这个例子，需要两台计算机和一根串口线，其中一台计算机安装我们的演示系统，另一台需要有一个向串口发送信息的软件，此软件我们是用Delphi编写的，运行在Windows 98系统下，两台计算机用我们自己制作的串口线相连。演示程序的一开始，有两个优先级相同的线程在时间片轮转。当我们从另一台装有Windows 98的机器上给演示机发送信息时，原来处于运行状态的两个线程被中断，演示机会成功的收到发送机发送的信息，然后等待操作人员的处理，是否继续运行该例子或者退出。