操作系统课程设计.docx
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操作系统课程设计
课程实验报告
课程名称：
操作系统原理课程设计
专业班级：
学号：
姓名
指导教师：
报告日期：
计算机科学与技术学院
1.实验目的
（1）掌握Linux操作系统的使用方法；
（2）了解Linux系统内核代码结构；
（3）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Windows7、Ubuntu双系统，Ubuntu系统版本为15.04，内核版本是Linux3.19。
3.实验内容
3.1实验一
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
采用编译内核的方法，添加一个新的系统调用实现文件拷贝功能
编写一个应用程序，测试新加的系统调用
3.3实验三
采用模块方法，添加一个新的字符设备的驱动程序，实现打开/关闭、读/写等基本操作,编写一个应用程序，测试添加的驱动程序。
3.4实验四
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情况。
3）用图形界面监控系统状态，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.实验设计
4.1实验一
4.1.1文件拷贝
实现文件拷贝功能需要使用的函数是fopen、fgetc、fputc,由命令行参数获取2个文件名，根据其文件名和路径分别打开该2个文件，设置循环，使用fgetc和fputc函数每次从源文件复制1个字节到目的文件，直到源文件指针到文件尾，实现文件拷贝操作。
4.1.2并发进程分窗口显示
使用图形界面GTK实现窗口的显示，使用fork（）创建三个并发进程：
pid=fork（）：
创建子进程。
返回值:
0从子进程返回
>0从父进程返回
exit进程自我终止，进入僵死状态
wait（）等待进程终止（由父进程调用）
exec（）执行一个可执行程序（文件）。
4.2实验二
不同的Linux内核版本编译内核和添加系统调用的方法不尽相同，在网上查阅了资料之后找到适合3.19版本内核的编译方法。
所谓系统调用，即Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用，用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。
其调用机制为：
使用寄存器中适当的值跳转到内核中事先定义好的代码中执行：
跳转到系统调用的总入口system_call，检查系统调用号，再查找系统调用表sys_call_table，调用内核函数，最后返回。
实验二目的是更改内核中系统调用模块，增加自定义函数实现文件拷贝功能。
4.3实验三
Linux设备驱动程序是一组常驻内存的具有特权的共享库，是低级硬件处理例程，每个设备文件有两个设备号，主设备号标识驱动程序，从设备号表示使用同一个设备驱动程序的不同硬件设备。
设备驱动程序的功能包括：
对设备初始化和释放，把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据，读取应用程序传给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据，检测和处理设备出现的错误。
Linux支持的设备包括三种：
字符设备、块设备和网络设备。
添加设备驱动程序大致需要以下几个步骤：
1.注册设备
2.定义功能函数
3.卸载设备
4.4实验四
proc文件系统特点：
1.进程文件系统和内核文件系统组成的复合体
2.将内核数据对象化为文件形式进行存取的一种内存文件系统
3.监控内核的一种用户接口，拥有一些特殊的纯文本文件，从中可以获取系统状态信息
4.系统信息：
与进程无关，随系统配置的不同而不同
5.进程信息：
系统中正在运行的每一个用户级进程的信息
其中各个文件保存的信息如下：
/proc/cmd/line:
内核启动的命令行
/proc/cpuinfo:
CPU信息
/proc/stat:
CPU的使用情况、磁盘、页面、交换、所有的中断、最后一次的启动时间等
/proc/meminfo:
内存状态的有关信息
利用/proc文件获取系统状态信息，并通过GTK图形化编程将系统信息以及通过这些信息计算得出的如CPU利用率、内存使用等通过窗口显示出来。
5.实验步骤
5.1实验一
5.1.1文件拷贝
文件拷贝主要是利用文件指针操作，在源文件和目的文件之间进行字符的复制，拷贝之前要判断源文件是否存在以及能否打开，这需要设置一个判断语句，同时也要设置判断语句判断目的文件是否存在，若不存在需要能够创建一个目的文件，最后执行循环拷贝。
步骤如下：
1.在Linux终端使用编译命令：
gccmycopy.c-omycopy产生可执行文件。
2.创建源文件wangzihao目的文件shaochongjun。
3.编辑源文件：
4.打开可执行程序：
./mycopywangzihaoshaochongjun
5.查看目的文件发现已经实现拷贝：
6.若源文件不存在会报错：
5.1.2并发进程分窗口显示
1.使用fork（）函数创建三个进程，使用exec函数族实现程序的调用：
2.调用创建窗口函数init_window（），将进程中的信息在窗口中显示：
3.分别创建三个程序实现显示系统时间、CPU利用率、累加求和功能：
4.运行结果如下：
5.2实验二
原内核版本：
3.19.0
编译新内核版本：
3.19.8
1.下载内核并解压
2.系统调用函数实现：
修改kernel/sys.c文件，在文件的最后添加新的系统调用函数：
sys_mycall（char*sourceFile,char*destFile）
3.设置系统调用号：
修改arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl，在最后一行添加新的系统调用号
4.添加系统调用声明到头文件 ：
~$viinclude/asm-generic/syscalls.h
在#endif前添
#ifndefsys_mycall
asmlinkage long sys_mycall（long number）;
#endif
5.安装基本编译套件：
apt-getinstallbuild-essentialkernal-packagelibncurses5-devfakeroot
6.配置内核：
makemenuconfig
7.编译内核：
make-j4
8.安装内核：
makemodules_install
makeinstall
9.重启进入新的内核
10.编写测试程序测试新的系统调用：
测试结果如下：
5.3实验三
1.编写Makefile文件：
2.编写设备功能函数：
（见程序清单）
3.设备加载：
makeclean
make
加载模块：
insmodwzhdriver.ko
输入cat/proc/devices得设备驱动的主设备号为:
加载设备，分配设备号：
mknod/dev/wzhdriverc2480
更改操作权限：
chmod666/dev/wzhdriver
4.运行测试程序，结果：
5.4实验四
1系统信息页：
2进程信息页：
3内存资源页：
6.调试记录
1.在编译gtk程序时，需要添加`pkg-config－－cflags--libsgtk+-3.0`.参数。
2.实验一程序过于简单，健壮性不大。
3.由于一开始没有加入刷新函数，导致实验一显示窗口数据不变化，在同学帮助下改正。
4.编译内核占用大量时间后来发现在make后添加-j4可以大大提升速度。
5.
7.心得体会
本次课程设计主要目的是熟悉Linux系统，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。
由于刚开始接触Linux，实验的开始遇到了不少困难，GTK的安装和使用花费了我不少时间，并行程序是操作系统课程学过的内容，主要难点是图形化界面的设计。
实验二是耗费时间最多的，由于每个版本的内核编译方式不同，耗费了大量时间查找编译内核的方法，同时编译一次内核需要一个小时以上，不过皇天不负有心人最后我成功添加了系统调用。
添加设备驱动比较简单，主要是了解了Linux设备驱动的原理，熟悉设备驱动的安装过程。
分析/proc文件主要是搭建图形化界面，在借鉴了网上资源设计的窗口之后，我设计了简单的监控系统图形界面，其中CPU利用率以及占用曲线等需要计算。
通过本次实验我学到了很多东西，熟悉了Linux系统的使用方法，对Linux系统内核代码结构有了大致的了解，掌握了图形化界面GTK的使用，总而言之本次试验我获益匪浅。
8.程序清单
8.1实验一
8.1.1文件拷贝
#include
intmain（intargc,char*argv[]）
{
if（argc!
=3）
{
printf（"Errorinargc!
\n"）;
return0;
}
FILE*fsource=NULL;
FILE*ftarget=NULL;
if（（fsource=fopen（argv[1],"rb"））==NULL）
{
printf（"Failtoopensourcefile!
\n"）;
return0;
}
if（（ftarget=fopen（argv[2],"wb"））==NULL）
{
printf（"Failtoopentargetfile!
\n"）;
return0;
}
intc;
while（（c=fgetc（fsource））!
=EOF）
{
fputc（c,ftarget）;
}
fclose（fsource）;
fclose（ftarget）;
return0;
}
8.1.2并发进程窗口显示
主函数：
#include
#include
#include
intmain（）
{
pid_ttime;
pid_tcpu;
pid_tsum;
if（（time=fork（））==-1）
{
printf（"forkerror\n"）;
return-1;
}
if（time==0）
{
execlp（"./time",0）;
}else
{
if（（cpu=fork（））==-1）//createcpu
{
printf（"forkerror\n"）;
return-1;
}
if（cpu==0）
{
execlp（"./cpu",0）;
}else
{
if（（sum=fork（））==-1）//createsum
{
printf（"forkerror\n"）;
return-1;
}
if（sum==0）
{
execlp（"./sum",0）;
}else//fatherprocess
{
wait（&time）;
wait（&cpu）;
wait（&sum）;
}
}
}
}
系统时间：
#include
#include
#include
#include
chart[50];
GtkWidget*label;
gettime（）{
time_ttimep;
time（&timep）;
sprintf（t,"%s",ctime（&timep））;}
void*thread（void*argc）{
while
（1）{
gettime（）;
gtk_label_set_text（GTK_LABEL（label）,t）;
sleep
（1）;}
}
intmain（intargc,char*argv[]）
{pthread_tid;
inti,ret;
ret=pthread_create（&id,NULL,（void*）thread,NULL）;
GtkWidget*vbox;//定义一个组装盒;
GtkWidget*window;
/*初始化整个GTK+程序，是每一个GTK+程序必不可少的部分*/
gtk_init（&argc,&argv）;
/*这里生成了一个窗口构件——GtkWindow，GTK_WINDOW_TOPLEVEL包含窗口的标题栏和边框，同意用窗口管理器来进行管理*/
window=gtk_window_new（GTK_WINDOW_TOPLEVEL）;
gtk_window_set_title（GTK_WINDOW（window）,"time"）;
gtk_window_set_default_size（GTK_WINDOW（window）,300,200）;
gtk_window_set_position（GTK_WINDOW（window）,GTK_WIN_POS_CENTER）;
label=gtk_label_new（t）;
gtk_container_add（GTK_CONTAINER（window）,label）;
gtk_widget_show（label）;
/*开始显示窗口*/
gtk_widget_show（window）;
gtk_main（）;
return0;
}
CPU利用率：
#include
#include
#include
GtkWidget*label;//theuserateofcpu
charc[5];
floatcpu（）;
void*thread（void*arg）
{
floatusage;
while
（1）
{
sleep
（2）;
usage=cpu（）;
sprintf（c,"theusageofcpuis%f%%",usage）;
gtk_label_set_text（GTK_LABEL（label）,c）;
}
}
floatcpu（）
{
FILE*fp;
charbuf[128];
charcpu[5];
longintuser,nice,sys,idle,iowait,irq,softirq;
longintall1,all2,idle1,idle2;
floatusage;
fp=fopen（"/proc/stat","r"）;
if（fp==NULL）
printf（"error\n"）;
fgets（buf,sizeof（buf）,fp）;
sscanf（buf,"%s%ld%ld%ld%ld%ld%ld%ld",cpu,&user,&nice,&sys,&idle,&iowait,&irq,&softirq）;
all1=user+nice+sys+idle+iowait+irq+softirq;
idle1=idle;
rewind（fp）;
//second
sleep
（1）;
memset（buf,0,sizeof（buf））;
cpu[0]='\0';
user=nice=sys=idle=iowait=irq=softirq=0;
fgets（buf,sizeof（buf）,fp）;
sscanf（buf,"%s%ld%ld%ld%ld%ld%ld%ld",cpu,&user,&nice,&sys,&idle,&iowait,&irq,&softirq）;
all2=user+nice+sys+idle+iowait+irq+softirq;
idle2=idle;
usage=（float）（all2-all1-（idle2-idle1））/（all2-all1）*100;
returnusage;
}
intmain（intargc,char*argv[]）
{pthread_tid;
inti,ret;
ret=pthread_create（&id,NULL,（void*）thread,NULL）;
GtkWidget*window;
/*初始化整个GTK+程序，是每一个GTK+程序必不可少的部分*/
gtk_init（&argc,&argv）;
/*这里生成了一个窗口构件——GtkWindow，GTK_WINDOW_TOPLEVEL包含窗口的标题栏和边框，同意用窗口管理器来进行管理*/
window=gtk_window_new（GTK_WINDOW_TOPLEVEL）;
gtk_window_set_title（GTK_WINDOW（window）,"cpu"）;
gtk_window_set_default_size（GTK_WINDOW（window）,300,200）;
gtk_window_set_position（GTK_WINDOW（window）,GTK_WIN_POS_CENTER）;
label=gtk_label_new（c）;
gtk_container_add（GTK_CONTAINER（window）,label）;
gtk_widget_show（label）;
/*开始显示窗口*/
gtk_widget_show（window）;
gtk_main（）;
return0;
}
求和：
#include
#include
#include
#include
chars[1000];
GtkWidget*label;
void*thread（void*argc）{
inti,j,sum;
for（i=1,sum=0,j=1;i<=100;i++）{
sleep（3）;
sum=sum+j;
j+=1;
sprintf（s,"%d",sum）;
gtk_label_set_text（GTK_LABEL（label）,s）;
}
}
intmain（intargc,char*argv[]）
{pthread_tid;
inti,ret;
ret=pthread_create（&id,NULL,（void*）thread,NULL）;
GtkWidget*vbox;//定义一个组装盒;
GtkWidget*window;
/*初始化整个GTK+程序，是每一个GTK+程序必不可少的部分*/
gtk_init（&argc,&argv）;
/*这里生成了一个窗口构件——GtkWindow，GTK_WINDOW_TOPLEVEL包含窗口的标题栏和边框，同意用窗口管理器来进行管理*/
window=gtk_window_new（GTK_WINDOW_TOPLEVEL）;
gtk_window_set_title（GTK_WINDOW（window）,"sum"）;
gtk_window_set_default_size（GTK_WINDOW（window）,300,200）;
gtk_window_set_position（GTK_WINDOW（window）,GTK_WIN_POS_CENTER）;
label=gtk_label_new（s）;
gtk_container_add（GTK_CONTAINER（window）,label）;
gtk_widget_show（label）;
/*开始显示窗口*/
gtk_widget_show（window）;
gtk_main（）;
return0;
}
8.2实验二
系统调用函数：
asmlinkageintsys_mycall（char*sourceFile,char*destFile）
{
intsource=sys_open（sourceFile,O_RDONLY,0）;
intdest=sys_open（destFile,O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0600）;
charbuf[4096];
mm_segment_tfs;
fs=get_fs（）;
set_fs（get_ds（））;
inti;
if（source>0&&dest>0）
{do{
i=sys_read（source,buf,4096）;
sys_write（dest,buf,i）;
}while（i）;
}
else{printk（"Error!
"）;}
sys_close（source）;
sys_close（dest）;
set_fs（fs）;
return10;}
测试程序：
#include
#include
#include
intmain（intargc,char**argv）
{
inti=syscall（359,argv[1],argv[2]）;
printf（"the%d",i）;
return1;
}
8.3实验三
设备驱动：
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE（"GEL"）;
MODULE_AUTHOR（"wangzihao"）;
#defineDEV_NAME"wzhdriver"
staticssize_tGlobalRead（structfile*,char*,size_t,loff_t*）;
staticssize_tGlobalWrite（structfile*,constchar*,size_t,loff_t*）;
staticintchar_major=0;
staticintGlobalDat
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