操作系统分页系统模拟
环境：编译器gcc 管理工具CMake 平台Windows/Linux 编辑器VScode
本项目是本人操作系统的一个简单课设，在此记录
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如果是windows平台下，vscode项目中.vscode/settings.json文件中添加(电脑里安装过MinGW)
"cmake.generator": "MinGW Makefiles"
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使用{projectDir}/client/head/client.h文件中的宏
UNIT_TEST进行控制。如果定义该宏，则运行单元测试，如果未定义，则运行主程序。 -
进程映像文件读取文件保存在{projectDir}/procImage/中，其实是可执行文件上级目录下的procImage文件夹中，在相关函数中设置
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主程序是一个简单的命令行，通过输入命令执行目标操作，括号代表参数，冒号是单位，pid，size是整数类型且均大于零，fileName是字符串。
/***************************************************************************** * 命令行输入解析 * 命令列表：command (args) (...) * help get help --获取帮助信息 * exit shutdown system --关闭系统退出程序 * cp (size:KB) creat process --创建进程 * dp (pid) destroy process --销毁进程 * pa (pid) (size:KB) process allocate memory --进程开辟内存 * sd (pid) (fileName) store process to disk --将进程存入磁盘 * ld (fileName) load program from disk --从磁盘载入程序 * sp (pid) show process message --显示进程具体信息 * ls list all process --显示所有进程 * ss show system message --显示当前系统信息 *******************************************************************************/
在Windows平台下开为不同情况的输出设置了不同的颜色。
{projectDir}/kernel下主要是系统模型设计，包括页表(PageTable)，主存(Memory)，进程控制块(PCB)，进程(Process)，系统(TinySystem)，其中还设计了一个简易的队列数据结构(QueueLite)。
{projectDir}/client下主要是展示页面的设计，包含一个简易的命令窗口，输出相关信息。
系统总体框架
定义了一些类型，宏，基本函数
typedef enum { TYPE_FALSE, TYPE_TRUE } bool_type; // bool 类型
typedef uint16_t base_type; // 定义数量类型，例如页表项的数量，队列的长度
typedef uint32_t address_type; // 定义地址类型
#define SIZE_OF_PAGE 4 * 1024 // Page的大小
#define MAX_PID 20 // 进程的最大数量
// 定义单位方便测试 (Unit:byte)
#define _KB (1 * 1024)
#define _MB (1 * 1024 * 1024)
// 取最大，最小值
address_type MAX(address_type left, address_type right);
address_type MIN(address_type left, address_type right);接口界面实现
轻量级队列，用于内存分配回收，pid分配
// 轻量级队列
struct QueueLite
{
base_type *ptr; // 队列本体
base_type capacity; // 队列容量
base_type size; // 队列长度
base_type head; // 队列头部
base_type tail; // 队列尾部
};模拟的主存大小为32MB，使用malloc开辟对应大小内存，其中系统占用8MB空间，剩下的24MB是用户区，用来运行进程，分页大小为4KB每页。这里只对用户区空间进行分页，系统区不考虑。规定每个进程最大内存为4MB，因此只需要一级页表。
/********************************************************************************
* 总内存为32Mbyte，至少需要使用26位来描述，这里使用uint32_t
* 整个主存分为两段，前一段是system区，后面是用户区，通过offset区分
* |-----------------------------| 0x01FFFFFF 32M-1 Page 8*1024-1
* | |
* |------------user-------------|
* | |
* | |
* | |
* | |
* | |
* | |
* |============offset===========| 0x00800000 8M Page 2*1024
* | |
* | |
* | |
* |-----------system------------|
* | |
* |-----------------------------| 0x00000000 Page 0
* ****************************************************************************
* | 页号P(20位) | 偏移量(12位) |
********************************************************************************/
/* Memory 代表主存，单例对象，用来描述主存*/
struct Memory
{
char *memory; // 主存
address_type offset; // 用户段的偏移量
address_type sys_used; // 系统区已使用量
address_type user_used; // 用户区已使用量
struct QueueLite *mem_queue; // 用于存放空闲的页的页号
};/********************************************************************************
* 整个系统可用内存空间为32M，最多需要32M/4K=8K个page
* 每一个Page大小为4Kbyte，系统按字节编址，地址长度为32位
* 一个页表最多有1024项，每一项指向一个4K大小的页，因此一个页表最多管理4K*1024 =4M内存
* 假设每个进程最多只允许申请4M内存，所以只需要一级页表
* |************************************************|
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
* | 逻辑页号 | 物理页号 |
**|************************************************|
*******************************************/
// 页表
struct PageTable
{
base_type *table; /* 0--65535 指向页表实体的指针 */
base_type size; /* 已使用的最大页表项数，页表项的个数最多1024 */
struct QueueLite *queue; // 存放未使用的页号
};// PCB
struct ProcessControlBlock
{
base_type pid; // pid==MAX_PID 表示此PCB未被使用，否则代表进程编号
CPU_STATUS status; // 处理机状态 就绪，执行，阻塞，未知
struct PageTable *page_table; // 指向内存中页表的指针
};// 进程模型
struct Process
{
struct ProcessControlBlock *pcb; // 进程的PCB
address_type size; // 进程的占用的内存总大小
struct TinySystem *sys; //系统，单例对象
};// 系统模型
struct TinySystem
{
struct QueueLite *pidQueue; // 空闲Pid队列
struct Memory *mem; // 主存储器实例
struct ProcessControlBlock **PCBs; // PCB队列
};每4KB大小为一页，因此用户区共有24MB/4KB=6K个页面。对于页面分配这里设计了两种方案，一是在系统初始化时按从0到6K的顺序依次将序号插入队列；二是将所有页面分为四组，分组的规则是页序号对{1,2,3,4}取余为0的为一组，依次插入各组，所以顺序是0,4,8....1,5,9...2,6,10...3,7,11......。进程申请内存时从队列头获取页面序号并分配。这里修改两种方法需要在client.h文件中进行宏(MEMORY_NOT_ORDER)的定义。当进程申请内存时，从系统来看分配的单位是页，从进程来看分配的单位是字节。例如一个进程第一次申请了5KB内存，则系统分配给他2页(8K)，当该进程下次请求2KB内存时，则系统不会再分配一页而是使用已有的页面。
回收比较简单，销毁进程时，直接将其拥有的页号全部加入队列即可。
- 对于进程回收一部分内存没有设计好，因此在命令行界面阉割了该功能，但是回收全部内存没有问题。
- 没有考虑多进程并发，从设计结构看来，Memory和System都是单例对象多个进程同时申请资源时必然会冲突，因此需要加锁。同时由于客户端命令行界面执行也是单线程，如果考虑多线程模拟，进程列表
procList也成为临界资源，使用需要加锁。 - 客户端设计时没有设计合理的返回值以判断程序的执行情况，同时也导致不方便进行单元测试。
- C语言使用不熟练，系统设计可能比较冗余。