Задание 1. Введение в xv6 (11 баллов)

Дедлайн — 23 сентября 2020 года.

К этому моменту необходимо сделать pull request и пройти очное ревью. Если вы не успеете, каждую неделю вы будете терять 10% от стоимости задания, но не более 50% в сумме. Если у вас есть уважительная причина пропусков практических занятий, обсудите её с преподавателем для восстановления баллов и справедливости.

В этом семестре вы получите пять домашних заданий. Мы будем постепенно дорабатывать и улучшать операционную систему xv6 — учебную ОС, разрабатываемую с 2006 года в MIT. Для выполнения следующих заданий нам понадобится немного понимать, как работает эта ОС и уметь её собирать.

Наша цель — познакомиться с операционной системой xv6 и подготовить окружение для работы.

Более подробно разобраться с xv6 поможет книга R. Cox, F. Kaashoek, R. Morris «xv6: a simple, Unix-like teaching operating system» (на английском).

Подзадание 1. Инструменты

Задания этого курса можно выполнять как на Mac OS, так и на Linux. Выберите нужную инструкцию:

• Установка на Linux
• Установка на Mac OS

Если вы пользуетесь Windows, то мне вас жаль. Мы предлагаем несколько способов решения этой проблемы:

1. Поставьте операционную систему на базе ядра Linux. Её можно поставить как вместо Windows, так и рядом с ней, если у вас на диске достаточно места. Например, попробуйте Ubuntu.

2. Скачайте менеджер виртуальных машин VirtualBox и создайте ВМ с Linux там.

3. Попробуйте поднять всё в Linux Subsystem for Windows (мы не проверяли этот способ, не гарантируем его работу и не помогаем с ним).

4. Попробуйте воспользоваться Windows-версиями GCC и QEMU, чтобы собрать все необходимые инструменты, и запустить всё прямо на Windows (мы не проверяли этот способ, не гарантируем его работу и не помогаем с ним).

   Если вы разберётесь с этим способом и будете готовы написать инструкцию для остальных студентов, то вы получите 5 бонусных баллов. Этот бонус можно сложить с подзаданием 5.

Подзадание 2. Запуск ВМ

Склонируйте этот репозиторий себе на компьютер. Важно не скачать его как ZIP-архив, а именно склонировать.

Может быть полезно: Resources to learn Git

Перейдите в директорию с репозиторием. Для сборки и запуска ОС выполните одну команду:

$ make qemu
<...>
xv6 kernel is booting

virtio disk init 0
hart 1 starting
hart 2 starting
init: starting sh
$

Вы попали в шелл xv6. Попробуйте выполнить какие-нибудь команды:

$ ls
.              1 1 1024
..             1 1 1024
xv6-readme     2 2 1982
xargstest.sh   2 3 93
<...>
$ cat xv6-readme
xv6 is a re-implementation of Dennis Ritchie's and Ken Thompson's Unix
Version 6 (v6).  xv6 loosely follows the structure and style of v6,
but is implemented for a modern RISC-V multiprocessor using ANSI C.

<...>

Чтобы выйти из QEMU, нажмите Ctrl-A, затем X.

Обратите внимание, что при перезапуске лишнего вывода перед запуском намного меньше. Это связано с тем, что перекомпилируются только измененные файлы.

Вы можете выполнить make clean, чтобы удалить все артефакты сборки и собрать ОС с нуля.

Подзадание 3. Pingpong

Прежде чем перейти к основной части курса, познакомимся подробнее с xv6 и её системными вызовами. Мы попробуем написать немного user-space кода.

Для решения этого задания создайте ветку user в вашем репозитории и выполните задание в ней.

В вашем репозитории должно быть две ветки. Ветка master изменяться не должна. В ветке user должны быть только коммиты с вашим решением поверх того, что уже было в master при выдаче задания. В репозитории должен быть только один PR с вашим решением. Изменять какие-то файлы, кроме Makefile, user/pingpong.c, user/sh.c, нельзя.

Похожие требования к оформлению предъявляются и для последующих домашних заданий — названия веток и файлов будут указаны в условии.

По возможности, разбивайте PR на отдельные коммиты, соответствующие частям вашего задания, и давайте коммитам читаемые имена.

Научитесь обмениваться данными между процессами с помощью специальных FIFO-каналов — Unix pipes. Реализуйте программу user/pingpong.c, которая должна:

• Создать пайп.
• Создать дочерний процесс.
• Отправить сообщение из родительского процесса в дочерний.
• Прочитать их в дочернем процессе, вывести <child pid>: got <message> и отправить данные в ответ.
• Прочитать ответ в родительском процессе, вывести <parent pid>: got <message>.

Советы для выполнения задания:

• Вам понадобится несколько системных вызовов — pipe, fork, read, write, getpid. Воспользуйтесь утилитой man, чтобы узнать, что делают эти вызовы и как ими пользоваться — поведение в xv6 не особо отличается от других Unix-подобных операционных систем.
• Вместо привычных вам stdlib.h и stdio.h доступна местная стандартная библиотека — user/ulib.c, а также printf.c и umalloc.c. Посмотрите на другие программы в директории user/, чтобы понять, как ей пользоваться.
• Добавьте программу в UPROGS в Makefile, чтобы она скомпилировалась.
• В программах для xv6 обязательно нужно вызывать exit() для выхода.

Подзадание 4. wait

Обратите внимание на user/sh.c. Командная оболочка — тоже программа в user-space.

Данная командная оболочка позволяет запускать программы в фоновом режиме, например:

$ usertests &

В таком случае, пока выполняются тесты, вы сможете исполнять другие команды.

Добавьте в оболочку команду wait, которая не принимает аргументов и дожидается выполнения всех дочерних процессов.

• Команду необходимо реализовывать прямо внутри sh.c. Подумайте, почему невозможно сделать это отдельной программой?
• Обратите внимание на то, как реализована команда cd, и сделайте так же.
• В xv6 процесс остаётся в зомби-состоянии, пока родительский процесс не вызовет wait.

После запуска usertests вам скорее всего понадобится вернуть оригинальную файловую систему. Для этого просто удалите файл fs.img.

Подзадание 5*. Автодополнение (+4 балла)

Это задание выполнять необязательно. Если вы его сделаете, то получите 4 бонусных балла. Обратите внимание, что на бонусные баллы штраф после дедлайна не накладывается. Но помните, что подзадание со звёздочкой сдаётся только вместе с основным — досдать его потом не получится.

Сейчас командная оболочка довольно неудобная, и у нас есть шанс сделать её лучше. В этом подзадании мы научимся поддерживать автодополнение команды по нажатию Tab. А именно, при нажатии Tab, если в текущей директории существует один или несколько файлов, названия которых начинаются с уже введенной строки, печатать их названия, а потом снова приглашение с введенной частью строки.

Предположим, пользователь нажал s<Tab>. Он должен увидеть что-то такое:

$ s
sh
stressfs
$ s

Вам нужно работать с функцией getcmd — замените gets на посимвольное чтение. Затем отдельно обработайте нажатие Tab (\t). Используйте user/ls.c в качестве примера того, как правильно обходить директорию.

Обратите внимание на то, как реализована обработка нажатий клавиш в ядре в kernel/console.c.

У вас возникнет проблема с удалением символов, нажатых до Tab. В рамках данного задания её исправлять не требуется.

Однако, если вы хотите разобраться с этим, попробуйте добавить в xv6 системный вызов ioctl, и поддержите переключение в raw-режим и обратно. В этом режиме все нажатия клавиш на клавиатуре должны напрямую попадать в буфер, переданный в read, и не отображаться на экране — а их обработка должна осуществляться в user-space (в нашем случае, в sh.c).

Это подзадание не тестируется автоматически, оно проверяется преподавателем вручную.