如何快速更新网站快照,网络规划与设计的目的,免费企业自助建站平台,wordpress同步到微博上一篇文章我们记录了如何操作硬盘#xff0c;并且编写了简单的硬盘驱动程序用于获取一些硬盘的参数。这篇文章就在上一篇文章的基础上记录文件系统#xff0c;完善硬盘驱动程序。
文件系统
现在我们该仔细考虑如何构建一个文件系统了。这并不是我们第一次接触文件系统并且编写了简单的硬盘驱动程序用于获取一些硬盘的参数。这篇文章就在上一篇文章的基础上记录文件系统完善硬盘驱动程序。
文件系统
现在我们该仔细考虑如何构建一个文件系统了。这并不是我们第一次接触文件系统我们在之前的时候就研究过FAT12。FAT12算是很简单的文件系统了既然我们已经比较熟悉它了就让我们结合它的结构来分析一下一个文件系统都需要哪些要素。 我们来参考一下FAT12的布局图中分为四个部分分别是引导区、FAT表、根目录区和数据区。其中引导扇区中不仅包含引导代码而且包含BPB它包含诸如根目录文件数最大值之类的信息可算是文件系统的MetadataFAT表记录的是整个磁盘扇区的使用情况有哪些扇区未被使用以及每个文件占用哪些扇区等根目录区则是文件的索引了那里记录了文件的名称、属性等内容。
这么看来一个简单的文件系统大致需要这么几个要素
要有地方存放Metadata要有地方记录扇区的使用情况要有地方来记录任一文件的信息比如占用了哪些扇区等要有地方存放文件的索引。
这些要点不难理解而且如果你分析其它文件系统的话也基本是这些要素。与此同时只要具备了这些要素一个文件系统基本就可以用了——至于好坏那不是我们这样的初学者要考虑的问题。
好了根据这些要素书上又同时参照了Minix的文件系统我们就把我们的文件系统设计成如下图所示的样子。 可以看到它几乎是把前面叙述的各要素一字排开
要有地方存放Metadata——占用整整一个扇区的super block要有地方记录扇区的使用情况——sector map要有地方记录任一文件的信息比如占用了哪些扇区等——inode map以及被称作inode_array的i-node真正存放地要有地方存放文件的索引——root数据区。
super block通常也叫做超级块关于文件系统的Metadata我们统统记在这里。sector map是一个位图它用来映射扇区的使用情况用1表示扇区已被使用0表示未被使用。i-node是UNIX世界各种文件系统的核心数据结构之一我们把它借用过来。每个i-node对应一个文件用于存放文件名、文件属性等内容inode-array就是把所有i-node都放在这里形成一个较大的数组。而inode map就是用来映射inode-array这个数组使用情况的一个位图用法跟sector map类似。root数据区类似于FAT12的根目录区但本质上它也是个普通文件由于它是所有文件的索引所以我们把它单独看待。为了简单起见我们的文件系统暂不支持文件夹也就是说用来表示目录的特殊文件只有这么一个。这种不支持文件夹的文件系统历史上曾经有过而且这种文件系统还有个名字叫做扁平文件系统Flat File System。
至于引导扇区就让它纯粹用作引导吧我们不打算学习FAT12把一些额外的数据结构塞进去——512字节已经够挤了而如今的硬盘是如此的便宜。
轻轻松松在前人的基础上加上做的也简单我们的文件系统就这样设计完成了。下面该是想想怎么将它放到硬盘上了。根据我们的经验一个文件系统可以安装到硬盘上的一个分区上而且一块硬盘之上可以有多个文件系统共存。那么下面我们就来找个分区在它上面实现可是不忙我们还不知道硬盘是怎么分区的呢下面就来研究一下。
硬盘分区表
你可能会有这样一个问题就是为什么不把文件系统直接安装到整块硬盘上呢这样做是完全可以的而且简单易行。但是书上作者的想法是这样的将来可以把我们辛苦实现的操作系统装到自己的计算机上到时候稍微设置一下Grub实现多引导让我的操作系统跟Linux、Windows等并存岂不美哉。所以在这里我们就多做一些研究一下怎么来针对分区进行操作要不然一下子用掉整块硬盘显得过于浪费了。
硬盘分区表其实是一个结构体数组数组的每个成员是一个16字节的结构体它的构成如下表所示。
偏移长度描述01状态80h可引导00h不可引导其它不合法11起始磁头号21起始扇区号仅用了低6位高2位为起始柱面号的第8,9位31起始柱面号的低8位41分区类型System ID51结束磁头号61结束扇区号仅用了低6位高2位为结束柱面号的第8,9位71结束柱面号的低8为84起始扇区的LBA124扇区数目
这个数组位于引导扇区的 1BEh 处共有四个成员——因为IBM当时觉得一台PC最多会装四个操作系统。现在我们的计算机中每块硬盘经常划分成不止四个分区这是因为每个主分区可以进一步分成多个逻辑分区。具体的做法我们还是需要一个示例来对照。为了安全起见我们操作映像而不是真的硬盘。现在我们把上一篇文章生成的硬盘分成几个区 在这里我们把一个80MB的硬盘映像分成了一个主分区和一个扩展分区扩展分区中又分成了五个逻辑分区逻辑分区过程截图并未完全显示也可以根据自己想法进行分区。我们将来把Orange’s装在第一个逻辑分区上也就是hd.img5的分区。我们先是把它的分区类型System ID改成99h又为它设定了“可启动”标志。在设置分区类型时我们先是列出了已知的类型然后选定还未使用的99h作为我们文件系统的System ID。
现在我们就来实际看一下分区表是什么样子的用二进制查看器来看一下引导扇区 硬盘分区表位于1BEh 处共有4个成员每个成员是16字节所以第1BEh到第1FDh字节便是分区表的内容了按照硬盘分区表的说明可知它们的意义如下表所示。
分区序号状态分区类型起始扇区LBA扇区数目000h不可引导83800h5000h100h不可引导055800h1E000h
从表中可知第一个分区起始于800h扇区共有5000h个扇区第二个分区起始于5800h扇区共有1E000h个扇区。然后这些信息是不够的我们还有若干逻辑分区的信息没有得到呢。没关系一步一步来我们现在就来看一下第二个分区——也就是扩展分区的第一个扇区时什么样子。扩展分区的开始字节为B00000h5800h*200h它的内容如下 其主要项的意义如下表所示。
分区序号状态分区类型起始扇区LBA扇区数目080h可引导99h800h5000h100h不可引导05h5800h5800h
前一个分区的起始扇区LBA是800h这是个相对于扩展分区基地址的LBA也就是说它真正的LBA是5800h800h6000h。后一个分区根据其分区类型05h可知它又是个扩展分区起始扇区LBA为5800h5800hB000h字节偏移为B000h*200h1600000h我们继续看看其引导扇区 其意义如表所示。
分区序号状态分区类型起始扇区LBA扇区数目000h不可引导83800h5000h100h不可引导05B000h5800h
从分区类型值System ID可以看出在这个分区中又包含了一个“普通的”分区和一个扩展分区你现在可能有些明白了多个逻辑分区是由嵌套来实现的。一个扩展分区里包含一个普通分区的同时又可以嵌套一个扩展分区一层一层的。其实这种层状结构也可以看做是一个链表链表的节点即为扩展分区的分区表每个节点中有两个表项前一个表项描述一个普通分区后一个表项指向下一个节点。
需要留意的一点是前一个表项中的起始扇区LBA是相对于当前扩展分区的而后一个表项中的起始扇区——也就是下一个扩展分区的起始扇区——是相对于硬盘主引导扇区所指明的扩展分区的起始扇区的。这样说可能有点拗口就本例来说扇区5800h中的分区表有两个表项前一项的起始扇区LBA为800h它的实际LBA要将800h与5800h相加即6000h后一项的起始扇区LBA为5800h它的实际地址要与5800h相加即B000h。
明白了这些遍历所有逻辑扇区的工作需要的就只剩下一些耐心和细心了。按照这样的方法我们可以一步一步遍历所有的分区。
设备号
硬盘的每个分区都会有一个分区号在我们的例子中主引导扇区中有两个表项对应一个主分区和一个扩展分区即hd.img1和hd.img2扩展分区中有5个逻辑分区从hd.img5到hd.img9。Linux中的编号规则是1~4这四个数字为主引导扇区的分区表项所用从5开始依次表示逻辑分区。
其实1、2、5~9等这些数字有个名称叫做次设备号。其作用是给每个设备分区起一个名字这样驱动程序就能方便地管理它们。另外还有个我们没说过的主设备号它的作用是给每一类设备一个名字以方便管理。举个例子假设我们的计算机内有三块硬盘和两个软盘。对用户而言操作硬盘和软盘上的文件的区别可能仅在于路径不同但对于操作系统硬盘和软盘需要不同的驱动程序所以不同类别的硬件需要区别对待这就是主设备号存在的理由。同时硬盘有多个而且每个硬盘上可能有多个分区对这些分区又需要区别对待于是又用到了次设备号。简单来说主设备号告诉操作系统应该用哪个驱动程序来处理次设备号告诉驱动程序这是具体哪个设备。
在我们的系统中我们也需要有主次设备号但对硬盘而言我们采用与Linux不同的编号规则具体如下图所示。 在这里我们还是只看主IDE通道上连接两块硬盘的情况。图中括号内的便是次设备号。主盘是hd0其次设备号为0它的主引导扇区分区表对应四个分区分别是hd1、hd2、hd3、hd4。每个扩展分区中最多有16个逻辑分区以字母a~p表示逻辑分区的次设备号是以hd1a为基准递增的。这种编号规则的好处是给定一个次设备号可以很容易地计算出它是主分区还是扩展分区或者是哪个扩展分区的哪个逻辑分区。同时给定一个分区的名称我们也很容易计算出其次设备号。
配置这套规则我们定义了一些宏。
代码 include/const.h硬盘设备号相关的宏。
#define MAX_DRIVES 2
#define NR_PART_PER_DRIVE 4
#define NR_SUB_PER_PART 16
#define NR_SUB_PER_DRIVE (NR_SUB_PER_PART * NR_PART_PER_DRIVE)
#define NR_PRIM_PER_DRIVE (NR_PART_PER_DRIVE 1)/*** def MAX_PRIM* Defines the max minor number of the primary partitions.* If there are 2 disks, prim_dev ranges in hd[0-9], this macro will* equal 9.*/
#define MAX_PRIM (MAX_DRIVES * NR_PRIM_PER_DRIVE - 1)
#define MAX_SUBPARTITIONS (NR_SUB_PER_DRIVE * MAX_DRIVES)
在这本书中只考虑硬盘接在主IDE通道的情况所以最多支持两块硬盘因此MAX_DRIVES定义为2。NR_SUB_PER_PART定义的是每个扩展分区最多有多少个逻辑分区。根据NR_PART_PER_DRIVE的值容易算出NR_PRIM_PER_DRIVE为5它其实表示的是hd[0~4]这5个分区因为有些代码中我们把整块硬盘hd0和主分区hd[1~4]放在一起看待。MAX_PRIM定义的是主分区的最大值比如有两块硬盘那第一块硬盘的主分区为hd[1~4]第二块硬盘的主分区为hd[6~9]所以MAX_PRIM为9我们定义的hd1a的设备号应大于它这样通过与MAX_PRIM比较我们就可以知道一个设备是主分区还是逻辑分区。
主设备号的情况要简单一些因为它的作用在于找到相应的驱动程序所以我们只要建立一个以主设备号为下标、以驱动器号PID为值的数组就可以了。具体如下面代码所示。
代码 kernel/global.cdd_map。
/*** For dd_map[k], * k is the device nr.\ dd_map[k].driver_nr is the driver nr.* * Remeber to modify include/const.h if the order is changed.*/
struct dev_drv_map dd_map[] {/* driver nr. major device nr. *//* ---------- ---------------- */{INVALID_DRIVER}, /** 0 : Unused */{INVALID_DRIVER}, /** 1 : Reserved for floppy driver */{INVALID_DRIVER}, /** 2 : Reserved for cdrom driver */{TASK_HD}, /** 3 : Hard disk */{TASK_TTY}, /** 4 : TTY */{INVALID_DRIVER} /** 5 : Reserved for scsi disk driver */
};
主设备号的定义如下代码 include/const.h。
/* major device numbers (corresponding to kernel/global.c::dd_map[]) */
#define NO_DEV 0
#define DEV_FLOPPY 1
#define DEV_CDROM 2
#define DEV_HD 3
#define DEV_CHAR_TTY 4
#define DEV_SCSI 5/* make device number from major and minor numbers */
#define MAJOR_SHIFT 8
#define MAKE_DEV(a,b) ((a MAJOR_SHIFT) | b)/* separate major and minor numbers from device number */
#define MAJOR(x) ((x MAJOR_SHIFT) 0xFF)
#define MINOR(x) (x 0xFF)#define INVALID_DRIVER -20
结构体 dev_drv_map 的定义在 include/fs.h 中这是新增加的一个头文件。
struct dev_drv_map {int driver_nr; /** The proc nr.\ of the device driver. */
};
一定要注意主设备号的宏定义的值为dd_map[]的下标两者是相呼应的若要改变的话要同时改变。将来我们每个设备号都有主设备号和次设备号组成通过简单的位运算即可得到主设备号及次设备号。
刚才我们在给磁盘映像hd.img分区时指定hd.img5为Orange’s分区我们将来会把文件系统建立在这个分区上。根据我们的命名规则它的名字应该是hd2a。它的次设备号应该等于hd1a加上16。
用代码遍历所有分区
好了分区表的原理已经清楚了下面我们就来添加代码在硬盘驱动程序中找出所有分区并且将它们打印出来。
代码 kernel/hd.c读取分区表。
PRIVATE struct hd_info hd_info[1];#define DRV_OF_DEV(dev) (dev MAX_PRIM ? dev / NR_PRIM_PER_DRIVE : (dev - MINOR_hd1a) / NR_SUB_PER_DRIVE)/* task_hd */
/* Main loop of HD driver */
PUBLIC void task_hd()
{
...switch (msg.type) {case DEV_OPEN:hd_open(msg.DEVICE);break;
...}...
}/*** Ring 1 Check hard drive, set IRQ handler, enable IRQ and initialize data structures.*/
PRIVATE void init_hd()
{
...int i;for (i 0; i sizeof(hd_info) / sizeof(hd_info[0]); i) {memset(hd_info[i], 0, sizeof(hd_info[0]));}hd_info[0].open_cnt 0;
}/*** Ring 1 This routine handles DEV_OPEN message. It identify the drive * of the given device and read the partition table of the drive if it * has not been read.* * param device The device to be opend.*/
PRIVATE void hd_open(int device)
{int drive DRV_OF_DEV(device);assert(drive 0); /* only one drive */hd_identify(drive);if (hd_info[drive].open_cnt 0) {partition(drive * (NR_PART_PER_DRIVE 1), P_PRIMARY);print_hdinfo(hd_info[drive]);}
}/*** Ring 1 Get a partition table of a drive.* * param drive Drive nr (0 for the 1st disk, 1 for the 2nd, ...)n* param sect_nr The sector at which the partition table is located.* param entry Ptr to part_ent struct.*/
PRIVATE void get_part_table(int drive, int sect_nr, struct part_ent * entry)
{struct hd_cmd cmd;cmd.features 0;cmd.count 1;cmd.lba_low sect_nr 0xFF;cmd.lba_mid (sect_nr 8) 0xFF;cmd.lba_high (sect_nr 16) 0xFF;cmd.device MAKE_DEVICE_REG(1, /* LBA mode */drive, (sect_nr 24) 0xF);cmd.command ATA_READ;hd_cmd_out(cmd);interrupt_wait();port_read(REG_DATA, hdbuf, SECTOR_SIZE);memcpy(entry, hdbuf PARTITION_TABLE_OFFSET, sizeof(struct part_ent) * NR_PART_PER_DRIVE);
}/*** Ring 1 This routine is called when a device is opened. It reads the * partition table(s) and fills the hd_info struct.* * param device Device nr.* param style P_PRIMARY or P_EXTENDED.*/
PRIVATE void partition(int device, int style)
{int i;int drive DRV_OF_DEV(device);struct hd_info * hdi hd_info[drive];struct part_ent part_tbl[NR_SUB_PER_DRIVE];if (style P_PRIMARY) {get_part_table(drive, drive, part_tbl);int nr_prim_parts 0;for (i 0; i NR_PART_PER_DRIVE; i) { /* 0~3 */if (part_tbl[i].sys_id NO_PART) {continue;}nr_prim_parts;int dev_nr i 1; /* 1~4 */hdi-primary[dev_nr].base part_tbl[i].start_sect;hdi-primary[dev_nr].size part_tbl[i].nr_sects;if (part_tbl[i].sys_id EXT_PART) { /* extended */partition(device dev_nr, P_EXTENDED);}}assert(nr_prim_parts ! 0);} else if (style P_EXTENDED) {int j device % NR_PRIM_PER_DRIVE; /* 1~4 */int ext_start_sect hdi-primary[j].base;int s ext_start_sect;int nr_1st_sub (j - 1) * NR_SUB_PER_PART; /* 0/16/32/48 */for (i 0; i NR_SUB_PER_PART; i) {int dev_nr nr_1st_sub i; /* 0~15/16~31/32~47/48~63 */get_part_table(drive, s, part_tbl);hdi-logical[dev_nr].base s part_tbl[0].start_sect;hdi-logical[dev_nr].size part_tbl[0].nr_sects;s ext_start_sect part_tbl[1].start_sect;/* no more logical partitions in this extended partition */if (part_tbl[1].sys_id NO_PART) {break;}}} else {assert(0);}
}/*** Ring 1 Print disk info.* * param hdi Ptr to struct hd_info.*/
PRIVATE void print_hdinfo(struct hd_info * hdi)
{int i;for (i 0; i NR_PART_PER_DRIVE 1; i) {printl(%sPART_%d: base %d(0x%x), size %d(0x%x) (in sector)\n,i 0 ? : ,i,hdi-primary[i].base,hdi-primary[i].base,hdi-primary[i].size,hdi-primary[i].size);}for (i 0; i NR_SUB_PER_DRIVE; i) {if (hdi-logical[i].size 0) {continue;}printl( %d: base %d(0x%x), size %d(0x%x), (in sector)\n,i,hdi-logical[i].base,hdi-logical[i].base,hdi-logical[i].size,hdi-logical[i].size);}
}/*** Ring 1 Get the disk information.* * param drive Drive Nr. */
PRIVATE void hd_identify(int drive)
{struct hd_cmd cmd;cmd.device MAKE_DEVICE_REG(0, drive, 0);cmd.command ATA_IDENTIFY;hd_cmd_out(cmd);interrupt_wait();port_read(REG_DATA, hdbuf, SECTOR_SIZE);print_identify_info((u16*)hdbuf);u16* hdinfo (u16*)hdbuf;hd_info[drive].primary[0].base 0;/* Total Nr of User Addressable Sectors */hd_info[drive].primary[0].size ((int)hdinfo[61] 16) hdinfo[60];
}
在之前的代码中驱动程序收到DEV_OPEN消息之后调用函数hd_identify()在这里我们改成了调用函数hd_open()这是新加的一个函数它接受的参数即为设备的次设备号。在hd_open()中我们首先由设备次设备号得到驱动器号由于我们的Bochs只定义了一个硬盘所以这里的驱动器号一定是0。接下来便是调用hd_identify()了。再往下是一个if语句其中涉及我们新定义的一个结构体hd_info。它的定义如下代码所示。
struct part_ent {u8 boot_ind; /*** boot indicator* Bit 7 is the active partition flag,* bits 6-0 are zero (when not zero this* byte is also the drive number of the* drive to boot so the active partition* is always found on drive 80H, the first* hard disk).*/u8 start_head; /*** Starting Head*/u8 start_sector; /*** Starting Sector.* Only bits 0-5 are used. Bits 6-7 are* the upper two bits for the Starting* Cylinder field.*/u8 start_cyl; /*** Starting Cylinder.* This field contains the lower 8 bits* of the cylinder value. Starting cylinder* is thus a 10-bit number, with a maximum* value of 1023.*/u8 sys_id; /*** System ID* e.g.* 01: FAT12* 81: MINIX* 83: Linux*/u8 end_head; /*** Ending Head*/u8 end_sector; /*** Ending Sector.* Only bits 0-5 are used. Bits 6-7 are* the upper two bits for the Ending* Cylinder field.*/u8 end_cyl; /*** Ending Cylinder.* This field contains the lower 8 bits* of the cylinder value. Ending cylinder* is thus a 10-bit number, with a maximum* value of 1023.*/u32 start_sect; /*** starting sector counting from* 0 / Relative Sector. / start in LBA*/u32 nr_sects; /*** nr of sectors in partition*/};struct part_info {u32 base; /* # of start sector (NOT byte offset, but SECTOR) */u32 size; /* how many sectors in this partition */
};/* main drive struct, one entry per drive */
struct hd_info
{int open_cnt;struct part_info primary[NR_PRIM_PER_DRIVE];struct part_info logical[NR_SUB_PER_DRIVE];
};
与此同时我们声明了一个数组hd_info[1]鉴于目前我们的虚拟机只装了一块硬盘我们只给了它一个成员。hd_info的主要作用是记录硬盘的分区信息每个硬盘应有一个hd_info结构。其中primary成员用来记录所有主分区的起始扇区和扇区数目它们占用primary[1-4]logical用来记录所有逻辑分区的起始扇区和扇区数目。注意这里整个硬盘的起始扇区和扇区数目记在了primary[0]中。
我们接着来看hd_open其中的if语句判断hd_info的open_cnt成员是否为0并将其自加。由于在init_hd()中我们将结构体清零了所以第一次执行到这里时if判断为真于是调用partition()和print_hdinfo()。
函数partition()所做的便是获取硬盘分区表了这个过程我们已经清楚了这里只不过是用C语言代码写出来而已。注意其中的读硬盘扇区的工作封装在了函数get_part_table()中和执行IDENTIFY命令类似执行READ命令时我们同样是先填充hd_cmd结构然后交给hd_cmd_out()来写寄存器。
函数print_hdinfo()就比较简单了将获取的分区信息打印出来而已。
这里有一点需要说明一下上一篇文档的代码FS发送DEV_OPEN消息时没有任何附加参数现在hd_open()是带参数的了所以FS的代码也要修改一下。
代码 fs/main.c修改后的文件系统进程。
/*** Ring 1 The main loop of TASK FS.*/
PUBLIC void task_fs()
{printl(Task FS begins.\n);/* open the device: hard disk */MESSAGE dirver_msg;dirver_msg.type DEV_OPEN;dirver_msg.DEVICE MINOR(ROOT_DEV);assert(dd_map[MAJOR(ROOT_DEV)].driver_nr ! INVALID_DRIVER);send_recv(BOTH, dd_map[MAJOR(ROOT_DEV)].driver_nr, dirver_msg);spin(FS);
}
这里我们不仅将ROOT_DEV的次设备号通过消息发送给了驱动程序而且使用哪个驱动程序也变成由dd_map来选择这样一来只要将ROOT_DEV定义好了正确的消息便能发送给正确的驱动程序。ROOT_DEV的定义如下所示。
代码 include/const.hROOT_DEV。
/* device numbers of hard disk */
#define MINOR_hd1a 0x10
#define MINOR_hd2a (MINOR_hd1a NR_SUB_PER_PART)#define ROOT_DEV MAKE_DEV(DEV_HD, MINOR_BOOT)
其中MINOR_BOOT被定义成MINOR_hd2a放在一个新的头文件config.h中将来一些硬盘配置的宏定义将放在这个文件中。
代码 include/config.h。
#define MINOR_BOOT MINOR_hd2a
好了现在FS会把hd2a的次设备号发给dd_map[DEV_HD].driver_nr即TASK_HD——我们的硬盘驱动然后驱动程序将执行hd_open从而获取硬盘的分区信息。现在我们可以make并执行看一下效果了。提醒一下由于我们新增加了头文件所以不要忘记更改Makefile。运行效果如下图所示。 好了做了这么多准备工作硬盘的分区信息总算是打印出来了。
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