操作系统课程设计报告.docx
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操作系统课程设计报告
课程设计报告
课程名称：
操作系统原理
院系：
计算机科学与技术
专业班级：
CS140______
学号：
U201414_____
姓名：
_________
指导教师：
_________
完成时间：
2017年3月11日_
1实验目的
·掌握Linux操作系统的使用方法；
·了解Linux系统内核代码结构；
·掌握实例操作系统的实现方法；
2实验环境
本次课程设计采用的操作系统环境是windows10、Ubuntu双系统，Ubuntu系统版本号为，内核版本号为linux；前两个实验在当前Ubuntu环境下完成，后两个实验在win10下虚拟机VirtualBox的Ubuntu（内核为）中完成。
3实验内容
3.1实验一
要求熟悉和理解Linux下的编程环境。
（1）编写一个C程序，用fread、fwrite等库函数实现文件拷贝功能。
（2）编写一个C程序，使用基于文本的终端图形编程库（curses）或图形界面（QT/GTK），分窗口显示三个并发进程的运行（一个窗口实时显示当前时间，一个窗口实时监测CPU的利用率，一个窗口做1到100的累加求和，刷新周期分别为1秒，2秒和3秒）。
3.2实验二
要求掌握添加系统调用的方法，采用编译内核方法，添加一个新的系统调用，实现文件拷贝的功能，另外编写一个应用程序，测试新增加的系统调用。
3.3实验三
掌握增加设备驱动程序的方法。
采用模块方法，添加一个新的字符设备驱动程序，实现打开/关闭，读/写等基本操作。
另外编写一个应用程序，测试新添加的驱动程序。
3.4实验四
要求理解和分析/proc文件。
（1）了解/proc文件的特点和使用方法；
（2）监控系统状态，显示系统部件的使用状态；
（3）用图形界面实现系统监控状态，包括CPU和内存利用率、所有进程信息等（可自己补充、添加其他功能）；
3.5实验五（选做）
要求理解和掌握文件系统的设计方法（选做）。
设计、实现一个模拟的文件系统。
包括文件/目录创建/删除，目录显示等基本功能（可自行扩充文件读/写、用户登录、权限控制、读写保护等其他功能）。
4设计与实现
4.1实验一
4.1.1实验要求
要求熟悉和理解Linux下的编程环境。
4.1.2实验设计及调试
（1）编写一个C程序，其内容为实现文件拷贝的功能。
这个实验的思路是声明两个文件指针*fp_read和*fp_write，前者用来打开要读的文件，后者打开要写的文件，再创建一个1000个字节大小的缓冲区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。
这个实验重点要掌握fread和fwrite的使用方法，注意它们的参数和返回值。
代码见附件中源码。
实验结果如下图：
图运行之前图
运行./lab1_1后结果如下图：
图运行之后图
由上图可见成功拷贝至
（2）编写一个C程序，本次实验使用的是图形界面GTK，分窗口显示三个并发进程的运行（一个窗口实时显示当前时间，一个窗口实时监测CPU的利用率，一个窗口做1到100的累加求和，刷新周期分别为1秒，2秒和3秒）。
这个实验要用到gtk，首先要配置gtk，在终端中输入：
sudoapt-getinstall
涉及到3个进程的并发，所以要调用函数fork来创建3个进程。
我的思路是在这3个进程中分别创建一个线程，去完成相应的功能：
显示当前时间，监测CPU利用率，做累加求和。
分别通过函数voidhavetime（）、voidcpu_usage（）、voidadd（）实现，在main函数里，初步画出3个进程相应的界面。
具体的是调用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设置窗口在屏幕的位置、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（）来展示需要展示的控件。
例如创建第一个线程：
g_thread_create（（GThreadFunc）havetime,NULL,FALSE,NULL）;
通过在线程havetime（）中实时更新标签label的内容，然后在main（）中创建的窗口中展示来完成所要求的功能。
进程2和3所要求的功能也是通过这种方法实现。
注意用到gtk的编译命令与以往不同，为：
gcc-olab1_2`pkg-config--cflags--libsgtk+`
代码见附件中的源码，实验结果如下图：
图运行结果图
小插曲：
在调用sprintf（s,"CPU利用率为%f%%",usage）想把利用率的“%”拷进缓冲区s后打印出来时，一个百分号是不能够打印出来的，要写两个%，如想要打印两个%,则要写4个%，以此类推。
4.2实验二
4.2.1实验要求
要求掌握添加系统调用的方法，采用编译内核方法，添加一个新的系统调用，实现文件拷贝的功能，另外编写一个应用程序，测试新增加的系统调用。
4.2.2实验设计及调试
下载一个内核下载在/usr/src/目录下解压（用超级用户权限），
（1）编写新的系统调用程序
用户空间所使用的open、read、write、close函数此时对应内核函数为sys_open、sys_read、sys_write、sys_close。
首先通过sys_open（）打开源文件和目标文件，分别返回文件描述符source和dest，然后把当前的用户地址范围保存在fs，再把当前内存访问地址范围设置为内核的内存地址访问范围，再通过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，最后再把内存访问地址范围设置为用户的。
保存fs是避免使用的缓冲区超过了用户空间的地址范围而报错。
把自己写的这个系统调用程序添加至/usr/src/目录下的最后。
（2）添加系统调用号
在/usr/src/目录下修改文件，添加一个自己的调用程序的系统调用号，我的之前用到了325好，所以添加326号，如下：
326commonmysyscallsys_mysyscall
（3）添加系统调用程序的声明
在/usr/src/目录下的最后加上自己添加的系统调用程序的声明如下：
asmlinkageintsys_mysyscall（char*sourceFile,char*destFile）;
（4）编译、安装内核
在/usr/src/目录下对内核选项进行配置：
sudomakemenuconfig
图内核配置图
选择save后退出
接下来就是漫长的编译内核了（4个线程跑会快一些）：
sudomake-j4
大概1个小时左右编译完毕，再安装内核：
sudomakemodules_install
lab2后如下图：
图运行之后的图
可见系统调用成功。
4.3实验三
4.3.1实验要求
掌握增加设备驱动程序的方法。
采用模块方法，添加一个新的字符设备驱动程序，实现打开/关闭，读/写等基本操作。
另外编写一个应用程序，测试新添加的驱动程序。
4.3.2实验设计及调试
（1）添加设备驱动原理：
linux设备一般分为：
字符设备、块设备和网络设备。
驱动程序运行在内核空间，应用程序通常通过文件系统接口函数访问/dev目录下的设备文件来访问驱动程序。
编写设备驱动程序的主要工作就是编写file_operations子函数，这次实验主要完成的就是file-operations数据结构中的.open\.release\.read\.write4个模块，file_operations结构的每个域都对应一个系统调用。
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，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取该数据结构相应的函数指针，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，其内容如下：
iifeq（$（KERNELRELEASE）,）
KERNELDIR=/lib/modules/$（shelluname-r）/build
PWD:
=$（shellpwd）
modules:
$（MAKE）-C$（KERNELDIR）M=$（PWD）modules
modules_install:
$（MAKE）-C$（KERNELDIR）M=$（PWD）modules_install
clean:
rm-rf*.o*~core.depend.*.cmd*.ko*..tmp_versions
.PHONY:
modulesmodules_installclean
else
obj-m:
=
endif
（3）编写设备功能函数
编写设备驱动程序的主要工作就是编写子功能函数。
open（）函数用来打开一个设备，在该函数中可以对设备进行初始化。
如果这个函数被赋值NULL，那么设备打开永远成功，并不会对设备产生影响。
release（）函数用来释放open（）函数中申请的资源，并在文件引用计数为0时，被系统调用。
其对应应用程序的close（）方法，但并不是每一次调用close（）方法，都会触发release（）函数，只有在打开的所有设备文件都释放后，该函数才会被调用。
read（）函数用来从设备中获取数据，成功时返回读取的字节数，失败时返回一个负的错误码。
write（）函数用来写数据到设备中。
成功时该函数返回写入的字节数。
详细实现见附件中源码。
（4）设备驱动程序安装
1make，调用Makefile编译设备驱动程序
图make图
编译成功，生成文件
2sudoinsmod挂载模块，再查看设备的主设备号：
cat/proc/devices
图主设备号的图
可见系统为mydev生成的主设备号为248
3sudo/dev/mydevc2480
mydev是设备文件的名字，“c”是指创建的是字符设备文件，248是主设备号，0是从设备号。
图生成设备文件图
可见生成了正确的设备文件mydev
（5）测试驱动程序
测试程序实现的是先从设备中读出里面初始的字符串U3，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，测试实验结果如下图：
先运行命令执行程序：
sudo./test
图结果图
可见打开、读、写均正确。
最后执行sudormmodmydev来删除模块
sudorm/dev/mydev来删除设备文件
4.4实验四
要求理解和分析/proc文件。
4.4.1实验要求
了解/proc文件的特点和使用方法；监控系统状态，显示系统部件的使用状态；用图形界面实现系统监控状态，包括CPU和内存利用率、所有进程信息等（可自己补充、添加其他功能）。
4.4.2实验设计及调试
这个实验主要是对/proc文件的理解和对gtk的熟练运用。
我用gtk里的笔记本构件画了3个页面，分别为pageone、pagetwo、pagethree。
pageone：
显示CPU利用率
计算和显示CPU直接用到的实验一第二个部分的显示CPU利用率部分，不同的是这儿用到了笔记本控件，要把“pageone”作为一个button加到notebook上，还要把算出来的CPU利用率作为一个标签内容加到notebook上，即：
hbox
scrolled_window
vbox
frame
button
clist
GtkWidget*button4=gtk_label_new（"Pageone"）;
label1=gtk_label_new（"begin"）;lab4
实验结果如下图、、：
图第一个页面图
图第二个页面图
图第三个页面图
5心得体会
本次课程设计，第一个题目第一问很简单，因为之前在实验中写过文件拷贝的程序，所以很快就顺利实现了，要注意fopen、fread、fwrite几个函数的用法，第二问刚开始不知怎么做，主要是因为之前没接触过gtk这种画界面的环境，在网上查阅相关资料后发现套路都是一样的，个人觉得把握住gtk中控件的概念，实现简单的界面都还是比较简单的，除了gtk，在CPU利用率的计算上还卡了一段时间，主要是没弄清到底应该怎么计算，查了大量资料后找到一种比较简单的计算方法去实现，结果也很准确；第二题和第三题是同一类型，都是需要对内核、系统调用、设备驱动文件有很好的理解才能很快做出来，自己还掌握得不是很好，所以也花了不少的时间去查资料、实现要求的功能，但现在回过头来看收获很大，对课上所学的部分内容有了更加深刻的理解，对linux系统调用和设备文件有了更深的认识；第四题确实是花的时间最多的，因为不仅涉及到复杂的gtk运用，还包括对/proc文件的理解，这两方面都是查了大量资料后才一点点完成的，时间花了，确实也有了成效，看到自己画的界面和读出的进程、CPU信息，成就感瞬间爆棚，但这还远远不够，相信以后学习工作中还会遇到更加困难的类似的问题，这次课设只是打下了个小小的基础，任重道远！
总之，这次课设受益匪浅。
6附录（源码）
实验一：
第一题：
#include<>
#definebuffer_size1000
intmain（intargc,char*argv[]）
{
if（argc!
=3）ead=my_read,
.write=my_write,
.open=my_open,
.release=my_release
};
intinit_module（）{
intret;
ret=register_chrdev（0,devname,&pstruct）;
if（ret<0）{
printk（"registfailure\n"）;
return-1;
}
else{
printk（"thedevicehasbeenregistered!
\n"）;
device_num=ret;
printk（"<1>thevirtualdevice'smajornumber%d.\n",device_num）;
printk（"<1>Oryoucanseeitbyusing\n"）;
printk（"<1>------more/proc/devices-------\n"）;
printk（"<1>Totalktothedriver,createadevfilewith\n"）;
printk（"<1>------'mknod/dev/myDevicec%d0'-------\n",device_num）;
printk（"<1>Use\"rmmode\"toremovethemodule\n"）;
return0;
}
}
voidcleanup_module（）{
unregister_chrdev（device_num,devname）;
printk（"unregisteritsuccess\n"）;
}
staticintmy_open（structinode*inode,structfile*file）{
printk（"<1>maindevice:
%d\n",MAJOR（inode->i_rdev））;
printk（"<1>slavedevice:
%d\n",MINOR（inode->i_rdev））;
printk（"<1>%dtimestocallthedevice\n",++counter）;
try_module_get（THIS_MODULE）;
return0;
}
staticintmy_release（structinode*inode,structfile*file）{
printk（"Devicereleased!
\n"）;
module_put（THIS_MODULE）;
return0;
}
staticssize_tmy_write（structfile*file,constchar__user*user,size_tt,loff_t*f）{
if（copy_from_user（message,user,sizeof（message）））
{
return-EFAULT;
}
returnsizeof（message）;
}
staticssize_tmy_read（structfile*file,char__user*user,size_tt,loff_t*f）{
if（copy_to_user（user,message,sizeof（message）））
{
return-EFAULT;
}
returnsizeof（message）;
}
:
#include
#include
#include<>
#include<>
#include<>
#include<>
#include<>
#defineMAX_SIZE1024
intmain（void）
{
intfd;
charbuf[MAX_SIZE];
charget[MAX_SIZE];
chardevName[20],dir[50]="/dev/";
system（"ls/dev/"）;
printf（"Pleaseinputthedevice'snameyouwannatouse:
"）;
gets（devName）;
strcat（dir,devName）;
fd=open（dir,O_RDWR|O_NONBLOCK）;
if（fd!
=-1）
{
read（fd,buf,sizeof（buf））;
printf（"Thedevicewasinitedwithastring:
%s\n",buf）;
/*测试写*/
printf（"Pleaseinputastring:
\n"）;
gets（get）;
write（fd,get,sizeof（get））;
/*测试读*/
read（fd,buf,sizeof（buf））;
system（"dmesg"）;
printf（"\nThestringinthedevicenowis:
%s\n",buf）;
close（fd）;
return0;
}
else
{
printf（"Deviceopenfailed\n"）;
return-1;
}
}
makefile:
ifeq（$（KERNELRELEASE）,）
KERNELDIR=/lib/modules/$（shelluname-r）/build
PWD:
=$（shellpwd）
modules:
$（MAKE）-C$（KERNELDIR）M=$（PWD）modules
modules_install:
$（MAKE）-C$（KERNELDIR）M=$（PWD）modules_install
clean:
rm-rf*.o*~core.depend.*.cmd*.ko*..tmp_versions
.PHONY:
modulesmodules_installclean
else
obj-m:
=
endif
实验四：
#include
建笔记本控件
GtkWidget*notebook=gtk_notebook_new（）;
gtk_container_add（GTK_CONTAINER（window）,notebook）;
gtk_notebook_set_tab_pos（GTK_NOTEBOOK（notebook）,GTK_POS_TOP）;立进程信息选项卡*/
intp=0,q=0,r=0,s=0;
charbufferf1[1000];
sprintf（bufferl,"Pagetwo"）;
GtkWidget*hbox=gtk_hbox_new（FALSE,5）;
GtkWidget*scrolled_window=gtk_scrolled_window_new（NULL,NULL）;示所有网页
gtk_widget_show_all（window）;
事件循环
gtk_main（）;
return0;
}
参考文献：
[1]计算机操作系统实验指导.人民邮电出版社.2014年.
[2]计算机操作系统（第二版）.人民邮电出版社.
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