基于DOS的多任务系统实现

杭州电子科技大学操作系统课程设计课程设计题目：基于DOS的多任务系统实现姓名：陈新光班级：050553学号：05055306学院：计算机学院专业：软件工程负责老师：梁红兵完成日期：2008-7-1基于DOS的多任务系统的实现一，课程设计的目的通过对线程（和进程）的创建和撤销，CPU的调度，同步机制，通信机制的实现，以达到一下目的：1，加深对线程和进程概念的理解，明确进程和程序的区别。2，加深对CPU调度过程（现场保护，CPU的分派和现场的恢复）的理解。3，进一步认识并执行的概念，明确顺序执行和并发执行的区别。4，加深对临界资源，临界区，信号量以及同步机制的理解。5，加深对消息缓冲通信的理解。二，设计要求1，用C语言完成线程的创建和撤销，并按优先权加时间片轮转算法对多线程进行调度。2，改变时间片的大小，观察结果的变化，3，假设两个线程共用同一软件资源（如某以变量，或者某以数据结构），请用记录型信号量来实现对它的互斥访问。4，假设有两个线程共享一个可以存放5个整数的缓冲，一线程不停地计算1至50的平方，并将结构放入缓冲中，另一个线程不断地从缓冲中取出结果，并将它们打印出来，请用记录型信号量实现这一生产者和消费者的同步问题。5，实现消息缓冲通信，并与3，4中的简单通信进行比较。三，程序设计思想以及总流程图1，程序的设计思想：该程序主要是分5大块内容：线程的创建和撤销，线程的调度，线程的同步与互斥，线程的阻塞与唤醒，利用消息缓冲队列的线程间的通信。由这五大块功能来完成的基于DOS的多任务系统的实现。在这个系统中，首先先由main函数进行一些初始化工作，然后直接创建0#线程对应于main函数，再由0#线程调用create创建1#，2#线程分别对应与函数f1(),f2()，最后将系统的中断服务程序设置为new_int8，并把控制交给1#线程，启动多个线程的并发执行。0#线程是一个比较特殊的线程，它在创建的时候没有使用create来创建，而是在系统初始化后直接创建的，因它对应的程序段为main函数中的一段，所以也直接使用整个系统的堆栈，而不再创建时为私有堆栈分配额外的空间；同样，撤销的时也不需要释放私有堆栈的空间，所以也没有over()函数而是直接撤销，从这方面来看，它是一个系统线程。此外，在启动多个线程并发执行过程后，0#线程将系统控制权转交出去，直至系统中其他进程都不具备执行条件时，它才有可能重新得到CPU，从这方面看，0#线程相当于是一个空转线程，最后，0#线程还担负着一个特别的使命：等待系统中所有其他的线程的完成，此时，它将直接撤销自己并恢复原来的时钟中断服务程序，从此终止整个多任务系统。2，系统的总流程图开始系统初始化创建0#号线程创建1#，2#线程截取时钟中断，启动线程的并发执行，使控制转向1#号线程重复输出字符’b’,并撤销自己2#1#0#重复输出字符’a’,并撤销自己其他线程以完YNCPU调度程序终止整个多任务系统输出结束信息结束四，系统各个功能的实现思想1，线程的创建和撤销线程的创建过程关键就是对私有堆栈和TCB初始化的过程，其过程如下：i，为新线程分配一空闲的线程控制块ii，为新线程的私有堆栈分配内存空间（因为对等线程共享程序段和数据段空间，所以创建线程时不必像创建进程那样再为程序段和数据段分配内存空间）iii，初始化新线程的私有堆栈，即按CPU调度时现场信息的保存格式布置堆栈。iv，初始化线程控制块，即填入线程的外部标识符，设置好线程私有堆栈的始址，段址和栈顶指针，将线程的状态置为就绪状态。v，最后哦返回新线程的内部标识符vi，线程的内存映像如下：Tcb[0]........Tcb[i]:Stack:63eSs:59baSp:a22State:readyName:”f1”........Tcb[NTCB-1]TCB集P---(低地址)59a：63e初始化现场信息：BPDISIDS:59baES:59baDXCXBXAXIP:879CS:57f7Flags:200Off:4b6Seg:57f7Sp--------59ba:a22F1()的返回地址：59ba:a3e线程的私有堆栈空间F1()Over()57f7:87957f7:4b6线程的撤销过程中，一个关键的地方是在初始化线程私有堆栈时需要将over()的入口地址压入线程的私有堆栈中，这样做的好处是：当线程所对应的函数正常结束时，over()函数的入口地址将最为函数的返回地址被弹出至CS,IP寄存器，那么控制将自动转向over(),从而使对应的线程被自动撤销，并重新进行CPU调度。2，线程的调度引起CPU调度原因主要是有三种情况：时间片到时，线程执行完毕或正在执行的线程因等待某种事件而不能继续执行。由这些原因，调度程序可以通过两个函数分别处理不同原因引起的调度：New_int8()函数主要是处理因时间片到时引起的调度该调度可以通过截取时钟中断（int08）来完成；Swtch()函数主要是处理因其他原因引起的调度；New_int8()函数因为是通过截取时钟中断来实现，可以知道其是属于系统调度，由于涉及到系统调度的函数都是需要对DOS状态进行判断，以防止出现系统数据混乱等情况的发生（从Dos的不可重入性来得出），而Swtch()函数是处理因其他原因引起的调度，所以它所涉及到的仅仅是用户级的函数调度，没有涉及到系统级的函数调度，因此Swtch()函数不需要对Dos状态进行判断。对于线程的两种调度函数的过程，因其相似，给出New_int8()函数的执行过程图,如下：调用原来的时钟中断服务程序（*old_int8）()进行计时：timecount++时间片到时？DOS忙？Y关中N保护正在执行的线程（current）的现场信息，暂时它的执行Tcb[current].ss=_SS;Tcb[current].sp=_SP;If(tcb[current].state==running)Tcb[current].state=ready;找到一新的就绪线程恢复线程i的现场，把CPU分配给它：_SS=tcb[i].ss;_SP=tcb[i].sp;Tcb[i].state=running;置线程i为现有线程：current=I;重新开始计时：timecount=0;开中返回NY需要主要的是：新的时钟中断处理程序不能太长，否则系统效率将大大下降甚至使系统无法正常工作；在新的时钟中断处理程序必须调用系统原来的INT08H，否则将影响磁盘马达的关闭和系统的计时，另外，我们还主要依赖原来的INT08H向中断控制器发中断结束指令（EOI）;3，线程的阻塞与唤醒线程的阻塞：主要是当某一线程需要阻塞的时候，将其插入阻塞队列中，等待唤醒进程唤醒，所以其过程为：首先，将线程的状态置为阻塞态，然后将线程插入指定的阻塞队列末尾，并重新进行CPU调度。线程的唤醒：主要是唤醒阻塞队列里面的线程，所以其过程是：把阻塞队列头上的第一个线程的TCB取下来，并将其状态改为就绪状态，等待CPU调度4，线程的同步与互斥在这个系统中是采用记录型信号量机制来实现同步与互斥的，实现的方法：采用P,V操作，设置两个信号量：一个为互斥信号量，一个为临界资源数目；5，利用消息缓冲队列的线程间通信线程间的通信，关键采用send()与receive()来实现，通过发送一个文本信息来显示通信的过程，其过程为：send()函数：消息的发送者需要提供接收者的标识符，消息的长度以及消息正文的起始地址等信息，然后在发送原语里申请一空闲的消息缓冲区，用相应的信息来装配该消息缓冲区，并把它插入到接收者的消息队列中去。Receive()函数：消息的接受者必须给出发送者的标识符，接受区的起始地址等信息，然后从自己的消息队列中取得相应的发送者发送来的消息缓冲区，将消息正文复制到接受区中，并释放相应的消息缓冲区。五，系统的详细过程#includestdlib.h#includestdio.h#includedos.h/***********************定义***********************/#defineGET_INDOS0x34#defineGET_CRIT_ERR0x5d06/*定义四个状态*/#definefinished0#definerunning1#defineready2#defineblocked3#defineTL3/*设置TL（时间片）时间为3*/#defineNTCB10/*NTCB是系统允许的最多任务数也就是进程数*/#defineNBUF5#defineNTEXT30/**********************声明变量********************/charfar*indos_ptr=0;charfar*crit_err_ptr=0;intcurrent;/*全部变量，始终等于正在执行的线程的内部标识符*/inttimecount=0;/*全局变量，等于上次调度至今的时间，在每次时钟中断发生时，timecount+1，通过它与TL课判断时间片是否到时，从而决定是否进行CPU调度*//********************定义数据结构********************/typedefint(far*codeptr)(void);/*定义codeptr函数指针*//*定义记录型信号量的数据结构*/typedefstruct{intvalue;structTCB*wq;}semaphore;semaphoremutexfb={1,NULL};/*互斥信号量*/semaphoresfb={NBUF,NULL};/*空闲缓冲队列的计数信号量*//*消息缓冲区的数据结构*/structbuffer{intsender;/*消息发送者的标识数*/intsize;/*消息长度=NTEXT个字节*/chartext[NTEXT];/*消息正文*/structbuffer*next;/指向下一个消息缓冲区的指针*/};structbuffer*freebuf;/*空闲消息缓冲队列，是临界资源，由NBUF个空闲的消息缓冲区组成*//*定义TCB数据结构*/structTCB{unsignedchar*stack;/*堆栈的起始地址*/unsignedss;/*堆栈的段址*/unsignedsp;/*堆栈的栈指针*/charstate;/*线程的状态*/charname[10];/*线程的外部标示符*/structTCB*next;/*链接字段，把所有就绪的线程按某种方式排成一显式队列，如优先权从高到底的队列*/structbuffer*mq;/*消息队列队首指针*/semaphoremutex;/*消息队列的互斥信号量*/semaphoresm;/*消息队列计数信号量*/intvalue;}tcb[NTCB];/*NTCB是系统允许的最多任务数*//*现场保护和恢复中要用到的一个数据结构*/structint_regs{unsignedbp,di,si,ds,es,dx,cx,bx,ax,ip,cs,flags,off,seg;};/**************************声明函数*************************/intDosBusy(void);voidInitInDos(void);voidInitTcb(void);/*对TCB的初始化*/intcreate(char*name,codeptrcode,intstacklen);voidover(void);/*撤销线程，归还所占资源*/voidinterrupt(*old_int8)(void);/*原来的时间中断程序，需要先声明*/voidinterruptnew_int8(void);/*因时间片到时而引起的调度由new_int8()函数来完成*/voidinterruptswtch(void);/*其他原因引起的CPU调度由函数swtch()完成*/voidtcb_state(void);/*输出