操作系统专业课程设计方案报告.docx
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1、课 程 设 计 报 告课程名称:操作系统原理院 系 : 计算机科学和技术 专业班级 : CS140 _ _ 学 号 : U14_ 姓 名 : _ _ 指导老师 : _ _ 完成时间 : 3月11日_ 目 录1试验目标22试验环境23试验内容23.1试验一23.2试验二23.3试验三33.4试验四33.5试验五(选做)34设计和实现34.1试验一34.2试验二64.3试验三94.4试验四115心得体会141 试验目标掌握Linux操作系统使用方法;了解Linux系统内核代码结构;掌握实例操作系统实现方法;2 试验环境此次课程设计采取操作系统环境是windows10、Ubuntu双系统,Ubunt
2、u系统版本号为16.04,内核版本号为linux 4.4.4;前两个试验在目前Ubuntu环境下完成,后两个试验在win10下虚拟机VirtualBoxUbuntu 15.10(内核为linux4.2.0-42) 中完成。3 试验内容3.1 试验一要求熟悉和了解Linux下编程环境。(1)编写一个C程序,用fread、fwrite等库函数实现文件拷贝功效。(2)编写一个C程序,使用基于文本终端图形编程库(curses)或图形界面(QT/GTK),分窗口显示三个并发进程运行(一个窗口实时显示目前时间,一个窗口实时监测CPU利用率,一个窗口做1到100累加求和,刷新周期分别为1秒,2秒和3秒)。3
3、.2 试验二要求掌握添加系统调用方法,采取编译内核方法,添加一个新系统调用,实现文件拷贝功效,另外编写一个应用程序,测试新增加系统调用。3.3 试验三掌握增加设备驱动程序方法。采取模块方法,添加一个新字符设备驱动程序,实现打开/关闭,读/写等基础操作。另外编写一个应用程序,测试新添加驱动程序。3.4 试验四要求了解和分析/proc文件。(1)了解/proc文件特点和使用方法;(2)监控系统状态,显示系统部件使用状态;(3)用图形界面实现系统监控状态,包含CPU和内存利用率、全部进程信息等(可自己补充、添加其它功效);3.5 试验五(选做)要求了解和掌握文件系统设计方法(选做)。设计、实现一个模
4、拟文件系统。包含文件/目录创建/删除,目录显示等基础功效(可自行扩充文件读/写、用户登录、权限控制、读写保护等其它功效)。4 设计和实现4.1 试验一4.1.1 试验要求要求熟悉和了解Linux下编程环境。4.1.2 试验设计及调试(1)编写一个C程序,其内容为实现文件拷贝功效。这个试验思绪是申明两个文件指针*fp_read和*fp_write,前者用来打开要读文件,后者打开要写文件,再创建一个1000个字节大小缓冲区buff,然后调用fread将内容从文件1读到buff里,再调用fwrite把内容从buff写到文件2中。这个试验关键要掌握fread和fwrite使用方法,注意它们参数和返回值
5、。代码见附件中源码。试验结果以下图4.1:图4.1 运行之前图运行./lab1_1 text1.txt text2.txt后结果以下图4.2:图4.2 运行以后图由上图可见text1.txt成功拷贝至text2.txt(2)编写一个C程序,此次试验使用是图形界面GTK,分窗口显示三个并发进程运行(一个窗口实时显示目前时间,一个窗口实时监测CPU利用率,一个窗口做1到100累加求和,刷新周期分别为1秒,2秒和3秒)。这个试验要用到gtk,首先要配置gtk,在终端中输入:sudo apt-get install libgtk2.0-dev包含到3个进程并发,所以要调用函数fork来创建3个进程。我
6、思绪是在这3个进程中分别创建一个线程,去完成对应功效:显示目前时间,监测CPU利用率,做累加求和。分别经过函数void havetime()、void cpu_usage()、void add()实现,在main函数里,初步画出3个进程对应界面。具体是调用gtk_window_new()函数创建一个窗口、gtk_window_set_title()设置窗口标题、gtk_window_set_position设置窗口在屏幕位置、gtk_label_new()创建一个标签用来显示文本、gtk_container_add()把标签添加到窗口中、gtk_widget_show_all()来展示需要展示
7、控件。比如创建第一个线程:g_thread_create(GThreadFunc)havetime, NULL, FALSE, NULL);经过在线程havetime()中实时更新标签label内容,然后在main()中创建窗口中展示来完成所要求功效。进程2和3所要求功效也是经过这种方法实现。注意用到gtk编译命令和以往不一样,为:gcc -o lab1_2 lab1_2.c pkg-config -cflags -libs gtk+-2.0代码见附件中源码,试验结果以下图4.3:图4.3 运行结果图小插曲:在调用sprintf(s,CPU利用率为%f% ,usage)想把利用率“%”拷进缓冲
8、区s后打印出来时,一个百分号是不能够打印出来,要写两个%,如想要打印两个%,则要写4个%,以这类推。4.2 试验二4.2.1 试验要求要求掌握添加系统调用方法,采取编译内核方法,添加一个新系统调用,实现文件拷贝功效,另外编写一个应用程序,测试新增加系统调用。4.2.2 试验设计及调试(1) 下载一个内核下载linux-4.4.4.tar.gz在 /usr/src/ 目录下解压(用超级用户权限),(2) 编写新系统调用程序用户空间所使用open、read、write、close函数此时对应内核函数为 sys_open、 sys_read、 sys_write、 sys_close。首先经过sys
9、_open()打开源文件和目标文件,分别返回文件描述符source和dest,然后把目前用户地址范围保留在fs,再把目前内存访问地址范围设置为内核内存地址访问范围,再经过sys_read()把源文件内容写到buf,再用sys_write()把buf内容写到dest,接着用sys_close()来关闭文件,最终再把内存访问地址范围设置为用户。保留fs是避免使用缓冲区超出了用户空间地址范围而报错。把自己写这个系统调用程序添加至/usr/src/linux-4.4.4/kernel目录下sys.c最终。(3) 添加系统调用号在 /usr/src/linux-4.4.4/arch/x86/entry/
10、syscalls目录下修改 syscall_64.tbl 文件,添加一个自己调用程序系统调用号,我之前用到了325好,所以添加326号,以下:326 common mysyscallsys_mysyscall(4) 添加系统调用程序申明在/usr/src/linux-4.4.4/include/linux 目录下syscalls.h最终加上自己添加系统调用程序申明以下:asmlinkage int sys_mysyscall(char* sourceFile,char* destFile);(5) 编译、安装内核在 /usr/src/linux-4.4.4 目录下对内核选项进行配置:sudo
11、make menuconfig图4.4 内核配置图选择save后退出接下来就是漫长编译内核了(4个线程跑会快部分):sudo make -j 4大约1个小时左右编译完成,再安装内核:sudo make modules_install /安装内核模块sudo make install /安装内核安装完成后重启,在Ubuntu高级选项中进入新内核。(6) 编写系统调用测试程序#include #include int main()syscall(326,text1.txt,text2.txt);return 0; 试验结果以下图4.5:图4.5 运行之前图./lab2 后以下图:图4.6 运行以后
12、图可见系统调用成功。4.3 试验三4.3.1 试验要求掌握增加设备驱动程序方法。采取模块方法,添加一个新字符设备驱动程序,实现打开/关闭,读/写等基础操作。另外编写一个应用程序,测试新添加驱动程序。4.3.2 试验设计及调试(1)添加设备驱动原理:linux设备通常分为:字符设备、块设备和网络设备。驱动程序运行在内核空间,应用程序通常经过文件系统接口函数访问/dev目录下设备文件来访问驱动程序。编写设备驱动程序关键工作就是编写file_operations子函数,这次试验关键完成就是file-operations数据结构中.open.release.read.write4个模块,file_op
13、erations结构每个域全部对应一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write等操作时,系统调用经过设备文件主设备号找到对应设备驱动程序,然后读取该数据结构对应函数指针,接着把控制权交给该函数。(2) 编写Makefile文件Makefile文件用于编译设备驱动程序,其内容以下:iifeq ($(KERNELRELEASE),) KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd)modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesmo
14、dules_install:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_installclean:rm -rf *.o * core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions.PHONY: modules modules_install cleanelse obj-m := mydev.oendif(3) 编写设备功效函数编写设备驱动程序关键工作就是编写子功效函数。open()函数用来打开一个设备,在该函数中能够对设备进行初始化。假如这个函数被赋值NULL,那么设备打开永远成功,并不会对设备产生影响。release
15、()函数用来释放open()函数中申请资源,并在文件引用计数为0时,被系统调用。其对应应用程序close()方法,但并不是每一次调用close()方法,全部会触发release()函数,只有在打开全部设备文件全部释放后,该函数才会被调用。read()函数用来从设备中获取数据,成功时返回读取字节数,失败时返回一个负错误码。write()函数用来写数据到设备中。成功时该函数返回写入字节数。具体实现见附件中源码。(4) 设备驱动程序安装 make,调用Makefile编译设备驱动程序图4.7 make图编译成功,生成mydev.ko文件 sudo insmod mydev.ko 挂载模块,再查看设备
16、主设备号:cat /proc/devices图4.8 主设备号图可见系统为mydev生成主设备号为248 sudo /dev/mydev c 248 0 mydev是设备文件名字,“c”是指创建是字符设备文件,248是主设备号,0是从设备号。图4.9 生成设备文件图可见生成了正确设备文件mydev(5) 测试驱动程序测试程序实现是先从设备中读出里面初始字符串U14813,再把一个字符串写进去,然后再读出来,测试程序详见附件源码,测试试验结果以下图:先运行命令实施程序:sudo ./test图4.10 结果图可见打开、读、写均正确。最终实施sudo rmmod mydev 来删除模块sudo r
17、m /dev/mydev 来删除设备文件4.4 试验四要求了解和分析/proc文件。4.4.1 试验要求了解/proc文件特点和使用方法;监控系统状态,显示系统部件使用状态;用图形界面实现系统监控状态,包含CPU和内存利用率、全部进程信息等(可自己补充、添加其它功效)。4.4.2 试验设计及调试这个试验关键是对/proc文件了解和对gtk熟练利用。我用gtk里笔记本构件画了3个页面,分别为page one、page two、page three。page one:显示CPU利用率计算和显示CPU直接用到试验一第二个部分显示CPU利用率部分,不一样是这儿用到了笔记本控件,要把“page one”
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