《操作系统》课程设计说明书.docx
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《操作系统》课程设计说明书
河南城建学院
《操作系统》课程设计说明书
设计题目：
UNIX/Linux文件系统分析
专业：
计算机科学与技术
指导教师：
邵国金耿永军陈红军
班级：
0614082
学号：
061408261
姓名：
贠炳森
同组人：
叶矿辉、陈宇
计算机科学与工程系
2011年1月7日
前言
在现在计算机更新如此迅速的时代要学好计算机软件技术，特别是操作系统的学习，不仅要努力学好课本上的基础知识，还要经常在图书馆看些有关这方面的书籍，而更重要的是要有足够的实践经验，也要注重和同学的交流，经常尝试性的做些小的操作系统，对自己技术的提升会有很大的帮助。
同时，学习计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。
如何学习和掌握操作系统技术的原理与实际技巧呢?
除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。
例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。
但由于我们的条件和学时有限，在理论学习过程中没有给同学们提供更多的实验机会。
本操作系统课程设计，是给同学提供一个集中实验的机会。
希望同学们通过该设计加深对所学习课程的理解。
本设计是基于课程中学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是RedHatLinux9，言语开发环境是Linux的GNUC或C++。
我做的课程设计是：
Linux/Unix文件系统分析。
在Linux系统下，使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写，参照Linux系统源代码以及Grub系统的源代码，对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。
要求在Linux环境下设计出C语言程序，实现以下功能：
1）分析UNIXSysV/Linux系统引导记录的作用;
2）分析UNIXSysV/Linux的超级块及其结构，并建立相关数据结构，通过编程实现UNIXSysV/Linux文件系统内各部分的定位。
3）至少要实现对给定i节点文件的只读访问
目录
一．系统环境5
1.1硬件环境5
1.2软件环境5
二．设计目的及要求5
三．总体设计7
四．详细设计8
五．调试与测试8
六．设计中遇到的问题及解决方法8
七．Linux/Unix文件系统分析源程序清单9
7.1头文件9
7.2示例程序12
八．运行结果及分析18
8.1linux文件系统读取18
8.2UNIX文件系统读取20
九．心得体会21
十．参考文献22
Linux/Unix文件系统分析
一．系统环境
1.1硬件环境
cpu为pentium4双线程技术，频率为2.8GHZ，内存为256MB。
1.2软件环境
使用操作系统环境是RedHatLinux9，言语开发环境是Linux的GNUC或C++。
二．设计目的及要求
1、设计目的
学习计算机软件技术，特别是计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。
如何学习和掌握操作系统技术的原理与实际技巧呢?
除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。
例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。
但由于条件和学时有限，在理论学习过程中没有给提供更多的实验机会。
本操作系统课程设计，是提供了一个集中实验的机会。
应该通过该设计加深对所学习课程的理解。
2、设计要求
按软件工程的思想和方法进行设计，并把它作为一个工程来做。
设计的每一步都有要形成文档，“成品”出来以后要有使用说明书和测试报告。
最后按院方统一要求整理出软件实习“论文”，并分别以电子和书面文档的形式上交。
最后，设计的程序要编译通过，并在验收时进行演示。
本设计的内容是基于《操作系统原理》教材的，但同学们必须对以前的《C语言程序设计》和《数据结构》等内容进行认真的复习。
本设计是基于课程中学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是RedHatLinux9，言语开发环境是Linux的GNUC或C++。
因此，要求课程设计者对Linux操作系统和GNUC或C++有一定的了解。
3、设计内容
在Linux系统下，使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写，参照Linux系统源代码以及Grub系统的源代码，对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。
要求在Linux环境下设计出C语言程序，实现以下功能：
1）分析UNIXSysV/Linux系统引导记录的作用;
2）分析UNIXSysV/Linux的超级块及其结构，并建立相关数据结构，通过编程实现UNIXSysV/Linux文件系统内各部分的定位。
3）至少要实现对给定i节点文件的只读访问。
4）建议根据文件读取文件。
文件系统必须完成下列工作：
1）为了合理的存放文件，必须对磁盘等辅助空间（或称文件空间）进行统一管理。
在用户创新新文件时为其分配空闲区，而在用户删除或修改某个文件时，回收和调整存储区。
2）为了实现按名存取，需要有一个用户可见的文件逻辑结构，用户按照文件逻辑结构所给定的方式进行信息的存取和加工。
这种逻辑结构时独立于物理存储设备的。
3）为了便于存放和加工信息，文件在存储和设备上应按一定的顺序存放。
这种存放方式被称为文件物理结构。
4）完成对存放在存储设备上的文件信息的查找。
5）完成文件的共享和提供保护功能。
三．总体设计
四．详细设计
分析UNIXSysV/Linux系统引导记录的作用
UNIXSysV/Linux系统引导记录存放于整个硬盘的第一个扇区，即0柱面0磁头l扇区，也叫做MBR（MaserBootReoofd）扇区，即主引导记录。
主引导记录在计算机引导过程中起着举足轻重的作用，计算机在按下电源键以后，开始执行主板BI0S程序，进行完一系列检测和配置以后，开始按BI0S中设定的系统引导顺序引导系统。
BIOS执行完自己的程序后如何把执行投交给硬盘呢。
交给硬盘后叉执行存储在哪里的程序呢?
其实，称为MBR的扇区中的一段代码起着举足轻重的作用。
MBR不随操作系统的不同而小同，即不同的操作系统町能会存在相同的MBR．即使不同，MBR也不会夹带操作系统的性质，具有公共引导的特性。
对文件系统的操作参看程序源代码。
实现对磁盘文件的访问，实现读写、查看文件系统的存取信息，对应各个i节点的相关信息，以及各个i节点的排列情况，使用户能清楚的看到文件系统磁盘结构。
更加了解计算机文件系统的工作流程。
五．调试与测试
（1）通过输入命令ccchengxu.c将文件编译为可执行文件a.out，通过输入命令./a.out加参数执行文件。
（2）判断命令行参数进行操作，当参数为./a.outus51k.img时进行Linux文件系统读取，当参数为../a.outxxenix.img时进行Unix文件系统读取。
（3）判断是否有第四个参数，若没有，则提示输入i节点号并实现对给定i节点文件的只读访问。
六．设计中遇到的问题及解决方法
在设计程序时。
我们按自己的理解编写了一个超级块和inode节点的结构体。
然后放在主程序中去读取信息，但是运行的结果大出我们的预料。
没有按我们的预期读出文件系统的信息，而是输出了一堆乱码，我们有经过查资料最后终于解决了问题，程序输出正常。
七．Linux/Unix文件系统分析源程序清单
7.1头文件
#include
typedef__s16s16;
typedef__u16u16;
typedef__s32s32;
typedef__u32u32;
typedefu16sysv_ino_t;
/*Blocknumbersare24bit,sometimesstoredin32bit.
OnCoherentFS,theyarealwaysstoredinPDP-11manner:
theleast
significant16bitscomelast.
*/
typedefu32sysv_zone_t;
/*Amongtheblocks...*/
/*XenixFS,CoherentFS:
block0isthebootblock,block1thesuper-block.
SystemVFS:
block0containsboththebootsectorandthesuper-block.*/
/*Thefirstinodezoneissb->sv_firstinodezone（1or2）.*/
/*Amongtheinodes...*/
/*0isnon-existent*/
#defineSYSV_BADBL_INO1/*inodeofbadblocksfile*/
#defineSYSV_ROOT_INO2/*inodeofrootdirectory*/
/*Xenixsuper-blockdataondisk*/
#defineXENIX_NICINOD100/*numberofinodecacheentries*/
#defineXENIX_NICFREE100/*numberoffreeblocklistchunkentries*/
structxenix_super_block{
u16s_isize;/*indexoffirstdatazone*/
u32s_fsize;//__packed2__;/*totalnumberofzonesofthisfs*/
/*thestartofthefreeblocklist:
*/
u16s_nfree;/*numberoffreeblocksins_free,<=XENIX_NICFREE*/
u32s_free[XENIX_NICFREE];/*firstfreeblocklistchunk*/
/*thecacheoffreeinodes:
*/
u16s_ninode;/*numberoffreeinodesins_inode,<=XENIX_NICINOD*/
sysv_ino_ts_inode[XENIX_NICINOD];/*somefreeinodes*/
/*locks,notusedbyLinux:
*/
chars_flock;/*lockduringfreeblocklistmanipulation*/
chars_ilock;/*lockduringinodecachemanipulation*/
chars_fmod;/*super-blockmodifiedflag*/
chars_ronly;/*flagwhetherfsismountedread-only*/
u32s_time;//__packed2__;/*timeoflastsuperblockupdate*/
u32s_tfree;//__packed2__;/*totalnumberoffreezones*/
u16s_tinode;/*totalnumberoffreeinodes*/
s16s_dinfo[4];/*deviceinformation?
?
*/
chars_fname[6];/*filesystemvolumename*/
chars_fpack[6];/*filesystempackname*/
chars_clean;/*setto0x46whenfilesystemisproperlyunmounted*/
chars_fill[371];
s32s_magic;/*versionoffilesystem*/
s32s_type;/*typeoffilesystem:
1for512byteblocks
2for1024byteblocks
3for2048byteblocks*/
};
/*SystemVFScomesintwovariants:
*sysv2:
SystemVRelease2（e.g.Microport）,structureelementsaligned
（2）.
*sysv4:
SystemVRelease4（e.g.Consensys）,structureelementsaligned（4）.
*/
#defineSYSV_NICINOD100/*numberofinodecacheentries*/
#defineSYSV_NICFREE50/*numberoffreeblocklistchunkentries*/
/*SystemV4super-blockdataondisk*/
structsysv4_super_block{
u16s_isize;/*indexoffirstdatazone*/
u16s_pad0;
u32s_fsize;/*totalnumberofzonesofthisfs*/
/*thestartofthefreeblocklist:
*/
u16s_nfree;/*numberoffreeblocksins_free,<=SYSV_NICFREE*/
u16s_pad1;
u32s_free[SYSV_NICFREE];/*firstfreeblocklistchunk*/
/*thecacheoffreeinodes:
*/
u16s_ninode;/*numberoffreeinodesins_inode,<=SYSV_NICINOD*/
u16s_pad2;
sysv_ino_ts_inode[SYSV_NICINOD];/*somefreeinodes*/
/*locks,notusedbyLinux:
*/
chars_flock;/*lockduringfreeblocklistmanipulation*/
chars_ilock;/*lockduringinodecachemanipulation*/
chars_fmod;/*super-blockmodifiedflag*/
chars_ronly;/*flagwhetherfsismountedread-only*/
u32s_time;/*timeoflastsuperblockupdate*/
s16s_dinfo[4];/*deviceinformation?
?
*/
u32s_tfree;/*totalnumberoffreezones*/
u16s_tinode;/*totalnumberoffreeinodes*/
u16s_pad3;
chars_fname[6];/*filesystemvolumename*/
chars_fpack[6];/*filesystempackname*/
s32s_fill[12];
s32s_state;/*filesystemstate:
0x7c269d38-s_timemeansclean*/
s32s_magic;/*versionoffilesystem*/
s32s_type;/*typeoffilesystem:
1for512byteblocks
2for1024byteblocks*/
};
/*SystemV/Coherentinodedataondisk*/
structsysv_inode{
u16i_mode;
u16i_nlink;
u16i_uid;
u16i_gid;
u32i_size;
union{/*directories,regularfiles,...*/
unsignedchari_addb[3*（10+1+1+1）+1];/*zonenumbers:
max.10datablocks,
*then1indirectionblock,
*then1doubleindirectionblock,
*then1tripleindirectionblock.
*Thenmaybea"filegenerationnumber"?
?
*/
/*namedpipesonCoherent*/
struct{
charp_addp[30];
s16p_pnc;
s16p_prx;
s16p_pwx;
}i_p;
}i_a;
u32i_atime;/*timeoflastaccess*/
u32i_mtime;/*timeoflastmodification*/
u32i_ctime;/*timeofcreation*/
};
/*
*SystemV/V7/CoherentFSinodedatainmemory
*/
structsysv_inode_info{
u32i_data[10+1+1+1];/*zonenumbers:
max.10datablocks,
*then1indirectionblock,
*then1doubleindirectionblock,
*then1tripleindirectionblock.
*/
};
7.2示例程序
#include
#include
#include
#include
#include
#include"sysvfs.h"
#include
main（intargc,char**argv）
{
inti,j,k,typ,fd,L=5;
char*file_sys,*tmp,buff[1024],buff_i[1025];
structsysv4_super_block*sbu;
structxenix_super_block*sbx;
structsysv_inode*inode;
intinode_size,inode_no,blk_size;
inti_start,d_start;
longll;
ulongi_add[13];
if（argc<3）{
fprintf（stderr,"Usage:
\n\t%argv[0]u|xfilesystem\n",argv[0]）;
exit
（1）;
}
switch（argv[1][0]）{
case'U':
case'u':
typ=1;
break;
case'X':
case'x':
typ=2;
break;
default:
typ=0;
}
file_sys=argv[2];
if（（fd=open（file_sys,O_RDONLY））==-1）{
fprintf（stderr,"FileSystem'%s'OPENerror!
\a\n",file_sys）;
exit
（2）;
}
if（lseek（fd,typ*512,SEEK_SET）!
=typ*512）{
fprintf（stderr,"FileSystem'%s'SEEKerror!
\a\n",file_sys）;
close（fd）;exit（3）;
}
if（read（fd,buff,512*typ）!
=512*typ）{
fprintf（stderr,"FileSystem'%s'READerror!
\a\n",file_sys）;
close（fd）;exit（4）;
}
if（typ==1）gotounix_;
if（typ==2）gotoxenix_;
exit（100）;
unix_:
sbu=（structsysv4_super_block*）buff;
printf（"indexoffirstdatazone:
%x\n",sbu->s_isize）;
printf（"s_pad0:
%x\n",sbu->s_pad0）;
printf（"totalnumberofzonesofthisfs:
%x\n",sbu->s_fsize）;
printf（"/*thestartofthefreeblocklist:
*/\n"）;
printf（"numberoffreeblocksins_free,<=SYSV_NICFREE:
%x\n",sbu->s_nfree）;
printf（"s_pad1:
%x\t%ud\n",sbu->s_pad1,sbu->s_pad1）;
printf（"/*thecacheoffreeinodes:
*/\n"）;
printf（"numberoffreeinodesins_inode,<=SYSV_NICINOD:
%x\n",sbu->s_ninode）;
printf（"s_pad2:
%x\n",sbu->s_pad2）;
printf（"somefreeinodes:
\n"）;
printf（"/*locks,notusedbyLinux:
*/\n"）;
printf（"timeoflastsuperblockupdate:
%x\n",sbu->s_time）;
printf（"totalnumberoffreezones:
%x\n",sbu->s_tfree）;
pri
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