第五章 OSKit的应用实例--一个简单系统的设计与实现
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。
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。
3. 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。
4. 我们自己所完成的工作：
4.1 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，初始化使串口能在多线程环境下正常工作的数据结构。
4.2 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。
4.3 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。
5. 使用方法
5.1 安装
使用者需要在Linux下键入 tar -zxvf acos-0.0.1.tar.gz 。
./setup ,详细的安装信息请参见README文件。
5.2 使用
根据我们所提供的API手册编写自己的应用程序，然后将这些应用程序的源文件编译成一个filename.o，用户通过执行acbuild filename.o命令将该应用程序与操作系统内核相链接。根据你所希望使用的引导方法执行mkXXXimage命令生成所需要的核心映像，选择恰当的装入程序装入启动核心映像。
5.3 用户编程接口
如果您对操作系统的概念有所了解，并详细阅读了我们为您提供的技术文档之后，便可以利用用户编程接口自行开发了。以下我将向各位详细介绍每个接口所提供的功能，希望对您能有所帮助。
5.3.1 管理线程的API ：
线程创建
ac_thread_create ( void *name, void *arg, int *out_thread_id );
设置线程的优先级
ac_thread_setprio(int thread_id, int pri);
撤销线程
ac_thread_cancel(int thread_id);
线程休眠
ac_thread_sleep(ac_s64_t millisecond);
将该线程与某一个线程相关联
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);
设置互斥量协议
ac_mutexattr_setprotocol ( ac_pthread_mutexattr_t* attr,
int protocol);
设置互斥量类型
ac_mutexattr_settype ( ac_pthread_mutexattr_t* attr,
int type);
初始化互斥量属性
ac_mutexattr_init(ac_pthread_mutexattr_t* attr);
互斥量加锁
ac_mutex_lock(ac_pthread_mutex_t *mutex);
互斥量解锁
ac_mutex_unlock(ac_pthread_mutex_t *mutex);
撤销互斥量
ac_mutex_destroy(ac_pthread_mutex_t *mutex);
5.3.3 管理IPC的API
消息发送（ IPC机制 ）
ac_ipc_send ( int thread_id, void* msg, ac_size_t msgsize,
ac_s32_t timeout);
3.2消息接受（ IPC机制 ）
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机制 ）
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);
发送同步消息
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 管理条件变量的API
条件变量初始化
ac_cond_init(ac_pthread_cond_t *cond,
ac_pthread_condattr_t* attr);
某线程等待条件变量
ac_cond_wait(ac_pthread_cond_t *cond,
ac_pthread_mutex_t *mutex);
唤醒等待该条件变量的线程
ac_cond_signal(ac_pthread_cond_t *cond);
符合条件变量的线程广播：
ac_cond_broacast(ac_pthread_cond_t *cond);
5.3.5 硬件部分
打开串口
ac_serial_open(int serial_num, ac_u32_t flags);
监听串口
ac_serial_listen(int serial_num, ac_u32_t flags);
关闭串口
ac_serial_close(ac_ttystream_t* a_stream);
从串口读
ac_serial_read(ac_ttystream_t* s, void *buf, ac_u32_t len,
ac_u32_t *out_actual);
往串口写
ac_serial_write(ac_ttystream_t* s, const void *buf,
ac_u32_t len, ac_u32_t *out_actual);
5.4 应用程序示例
为了让使用者能够对我们的这个小系统有更加深入的了解，我们制作了一些例子供使用者参考。这些例子包括最简单的"Hello World"，串口读写、线程调度、线程间通信，哲学家算法等等。
应用程序的示例可以在examples目录下找到。