操作系统课设.docx
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操作系统课设
课程设计任务书
学生姓名：
杨杰专业班级：
软件工程0904班
指导教师：
刘军工作单位：
计算机科学与技术学院
题目:
系统调用
初始条件：
学习了高级语言程序设计、汇编语言、数据结构、计算机组成原理课程，掌握了一种计算机高级语言。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
学习在Linux中产生一个系统调用以及怎样通过往Linux内核中增加一个新函数从而在该内核空间中实现对用户空间的读写。
这个函数的功能是返回当前的系统时间。
实验条件要求：
每人一台Linux主机且有超级用户权限。
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
消化资料、系统设计
1天
2
编程、调试
３天
3
撰写报告
1天
合计
５天
指导教师签名：
2011年12月26日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1设计目的与要求1
1.1课程设计目的1
2背景介绍1
2.1系统调用1
2.2SCI1
2.3用户/内核交互的其他选择2
3总体设计3
3.1问题分析3
4详细设计8
4.1主要函数及其功能8
5运行结果与运行情况8
6调试记录10
7自我评析和总结11
参考文献12
正文
1设计目的与要求
1.1课程设计目的
学习在Linux中产生一个系统调用以及怎样通过往Linux内核中增加一个新函数从而在该内核空间中实现对用户空间的读写。
这个函数的功能是返回当前的系统时间。
2背景介绍
2.1系统调用
操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境，为了达到这个目的，内核提供一系列具备预定功能的多内核函数，通过一组称为系统调用（systemcall）的接口呈现给用户。
系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序，如果没有系统调用和内核函数，用户将不能编写大型应用程序。
、
Linux系统调用，包含了大部分常用系统调用和由系统调用派生出的的函数。
2.2SCI
Linux中系统调用的实现会根据不同的架构而有所变化，而且即使在某种给定的体架构上也会不同。
例如，早期的x86处理器使用了中断机制从用户空间迁移到内核空间中，不过新的IA-32处理器则提供了一些指令对这种转换进行优化（使用sysenter和sysexit指令）。
由于存在大量的方法，最终结果也非常复杂。
每个系统调用都是通过一个单一的入口点多路传入内核。
eax寄存器用来标识应当调用的某个系统调用，这在C库中做了指定（来自用户空间应用程序的每个调用）。
当加载了系统的C库调用索引和参数时，就会调用一个软件中断（0x80中断），它将执行system_call函数（通过中断处理程序），这个函数会按照eax内容中的标识处理所有的系统调用。
在经过几个简单测试之后，使用system_call_table和eax中包含的索引来执行真正的系统调用了。
从系统调用中返回后，最终执行syscall_exit，并调用resume_userspace返回用户空间。
然后继续在C库中执行，它将返回到用户应用程序中。
图1.使用中断方法的系统调用的简化流程
SCI的核心是系统调用多路分解表。
这个表如图2所示，使用eax中提供的索引来确定要调用该表中的哪个系统调用（sys_call_table）。
图中还给出了表内容的一些样例，以及这些内容的位置。
图2.系统调用表和各种链接
2.3用户/内核交互的其他选择
系统调用是请求内核中服务的一种有效方法。
使用这种方法的最大问题就是它是一个标准接口，很难将新的系统调用增加到内核中，因此可以通过其他方法来实现类似服务。
如果您无意将自己的系统调用加入公共的Linux内核中，那么系统调用就是将内核服务提供给用户空间的一种方便而且有效的方法。
让您的服务对用户空间可见的另外一种方法是通过/proc文件系统。
/proc文件系统是一个虚拟文件系统，您可以通过它来向用户提供一个目录和文件，然后通过文件系统接口（读、写等）在内核中为新服务提供一个接口
3总体设计
3.1问题分析
添加一个Linux系统调用
添加一个新系统调用主要是一些程序性的操作，但应该注意几件事情。
本节将介绍几个系统调用的构造，从而展示它们的实现和用户空间应用程序对它们的使用。
向内核中添加新系统调用，需要执行3个基本步骤：
1添加新函数。
2更新头文件。
3针对这个新函数更新系统调用表。
最常见的情况是，为自己的函数创建一个新文件。
不过，为了简单起见，我将自己的新函数添加到现有的源文件中。
清单1所示的前两个函数，是系统调用的简单示例。
清单2提供了一个使用指针参数的稍微复杂的函数。
系统调用示例的简单内核函数
asmlinkagelongsys_getgettime（void）
{
return（long）get_time_64（）;
}
asmlinkagelongsys_gettime（longtime）
{
return（long）get_time_64（）-utime;
}
更新unistd.h文件为新系统调用安排空间
#define__NR_getcpu318
#define__NR_epoll_pwait319
#define__NR_time320
#define__NR_difftime321
#define__NR_pdiftime322
#defineNR_syscalls323
现在已经有了自己的内核系统调用，以及表示这些系统调用的编号。
接下来需要做的是要在这些编号（表索引）和函数本身之间建立一种对等关系。
这就是第3个步骤，更新系统调用表。
如清单4所示，我将为这个新函数更新linux/arch/i386/kernel/syscall_table.S文件，它会填充清单3显示的特定索引。
清单4.使用新函数更新系统调用表
.longsys_getcpu
.longsys_epoll_pwait
.longsys_gettime/*320*/
.longsys_difftime
.longsys_pdifftime
注意：
这个表的大小是由符号常量NR_syscalls定义的。
现在，我们已经完成了对内核的更新。
接下来必须对内核重新进行编译，并在测试用户空间应用程序之前使引导使用的新映像变为可用。
对用户内存进行读写
Linux内核提供了几个函数，可以用来将系统调用参数移动到用户空间中，或从中移出。
方法包括一些基本类型的简单函数（例如get_user或put_user）。
要移动一块儿数据（如结构或数组），您可以使用另外一组函数：
copy_from_user和copy_to_user。
可以使用专门的调用移动以null结尾的字符串：
strncpy_from_user和strlen_from_user。
您也可以通过调用access_ok来测试用户空间指针是否有效。
这些函数都是在linux/include/asm/uaccess.h中定义的。
您可以使用access_ok宏来验证给定操作的用户空间指针。
这个函数有3个参数，分别是访问类型（VERIFY_READ或VERIFY_WRITE），指向用户空间内存块的指针，以及块的大小（单位为字节）。
如果成功，这个函数就返回0：
intaccess_ok（type,address,size）;
要在内核和用户空间移动一些简单类型（例如int或long类型），可以使用get_user和put_user轻松地实现。
这两个宏都包含一个值以及一个指向变量的指针。
get_user函数将用户空间地址（ptr）指定的值移动到所指定的内核变量（var）中。
put_user函数则将内核变量（var）指定的值移动到用户空间地址（ptr）。
如果成功，这两个函数都返回0：
intget_user（var,ptr）;
intput_user（var,ptr）;
要移动更大的对象，例如结构或数组，可以使用copy_from_user和copy_to_user函数。
这些函数将在用户空间和内核之间移动完整的数据块。
copy_from_user函数会将一块数据从用户空间移动到内核空间，copy_to_user则会将一块数据从内核空间移动到用户空间：
unsignedlongcopy_from_user（void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn）;
unsignedlongcopy_to_user（void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn）;
最后，可以使用strncpy_from_user函数将一个以NULL结尾的字符串从用户空间移动到内核空间中。
在调用这个函数之前，可以通过调用strlen_user宏来获得用户空间字符串的大小：
longstrncpy_from_user（char*dst,constchar__user*src,longcount）;
strlen_user（str）;
这些函数为内核和用户空间之间的内存移动提供了基本功能。
实使用系统调用。
现在内核已经使用新系统调用完成更新了，接下来看一下从用户空间应用程序中使用这些系统调用需要执行的操作。
使用新的内核系统调用有两种方法。
第一种方法非常方便（但是在产品代码中您可能并不希望使用），第二种方法是传统方法，需要多做一些工作。
使用第一种方法，您可以通过syscall函数调用由其索引所标识的新函数。
使用syscall函数，您可以通过指定它的调用索引和一组参数来调用系统调用。
例如，清单5显示的简单应用程序就使用其索引调用了sys_times。
使用syscall调用系统调用
#include
#include
#include
intmain（）
{
structtm*tm_ptr;
time_tthe_time;
（void）time（&the_time）;
tm_ptr=gmtime（&the_time）;
printf（"Rawtimeis%ld/n",the_time）;
printf（"gmtimegives:
/n"）;
printf（"date:
%02d/%02d/%02d/n",
tm_ptr->tm_year,tm_ptr->tm_mon+1,tm_ptr->tm_mday）;
printf（"time:
%02d:
%02d:
%02d/n",
tm_ptr->tm_hour,tm_ptr->tm_min,tm_ptr->tm_sec）;
exit（0）;
}
syscall函数使用了系统调用表中使用的索引作为第一个参数。
如果还有其他参数需要传递，可以加在调用索引之后。
大部分系统调用都包括了一个SYS_符号常量来指定自己到__NR_索引的映射。
syscall函数特定于架构，使用一种机制将控制权交给内核。
其参数是基于__NR索引与/usr/include/bits/syscall.h提供的SYS_符号之间的映射（在编译libc时定义）。
传统的方法要求我们创建函数调用，这些函数调用必须匹配内核中的系统调用索引（这样就可以调用正确的内核服务），而且参数也必须匹配。
Linux提供了一组宏来提供这种功能。
_syscallN宏是在/usr/include/linux/unistd.h中定义的，格式如下：
_syscall0（ret-type,func-name）
_syscall1（ret-type,func-name,arg1-type,arg1-name）
_syscall2（ret-type,func-name,arg1-type,arg1-name,arg2-type,arg2-name）
_syscall宏最多可定义6个参数。
现在，使用_syscall宏来使新系统调用对于用户空间可见。
上图显示的应用程序使用了_syscall宏定义的所有系统调用。
实际上还可以使用另外一些函数（例如减少执行检查数量的函数）。
可以在uaccess.h中找到这些函数。
3.4开发工具的选择
操作系统：
linux
工具：
gcc编译器，vi编辑器
4详细设计
4.1主要函数及其功能
∙stringgettime（）：
得到系统时间
∙voidwriting（intn）：
完成Writer的写操作
∙voidreading（intn）：
完成Reader的读操作
∙void*reader_thread（void*rid）：
Reader线程算法的具体实现
∙void*writer_thread（void*rid）：
Writer线程算法的具体实现
5运行结果与运行情况
在本程序的实现过程中，使用了vi编辑器编辑，gcc编译。
部分结果如下：
程序执行结果
6调试记录
事实上，在整个过程中，从内核的安装解压开始就出现了问题：
在代码的调试过程中，遇到了很多的问题，如：
在编译的指令中为加上-lpthread，导致无法识别出函数sem_wait（）和sem_post（）.
（1）、在运行*.out文件时，指令的错误。
这些问题通过查阅资料和同学的帮助，都得到了很好的解决。
上面的代码通过“g++-lpthread-o 目标文件名 源文件名”进行编译之后，执行的结果如上所示，用-1表示未写入的单元，写入时，依次以1，2，3，4…对写入的数据编号然后再写入。
每一段的第一行数据表示内存的状态（写入的值），第二行的数据表示对应的内存的拥有者（读者或写着），当然也可以是同时有两个读者共同拥有同一个内存。
7自我评析和总结
经过几天的努力，我的课程设计终于完成了。
对于本次课程设计，我感触颇深。
在以前学习操作系统的时候，我都只是局限于书本上的理论知识，对于系统调用这一块了解的也不是很深刻，然而这一次的课程设计可以说让我对操作系统的学习在深度上更进了一步。
本次课程设计我所需要解决的是系统调用问题，该问题是一个关于基本的的经典问题。
在课程设计之前，我只是在书本上学习过它的算法，所以说对于它的本质还是不够清楚。
在这次课程设计的过程中，通过查阅相关的文献和书籍我才对这个问题有了进一步的了解。
同时，这些也正帮助了我对系统调用，内核这两个方面知识的学习，使我对系统调用应用有了深入的了解，懂得了运用内核进行系统整合。
最后实现了不让共享资源同时修改。
除了专业知识方面的学习，这次课程设计让我收获最大的还是linux系统的学习。
这学期我是第一次亲身体验linux，但是在此之前，我也只是在实验课的时候初步的了解，谈不上是熟悉和学习。
课程设计的时候，我不得不使用linux，那个时候我感觉到相当的棘手，但是，我还是要求自己静下心来去慢慢的学习。
经过两天的摸索，我才开始熟悉一些操作和指令。
到现在，我觉得自己也对linux产生了兴趣，我相信，在以后我还会坚持使用和学习它的。
总的来说，这次课程设计提高了我对操作系统课程所学知识的综合应用的能力，巩固了对知识的掌握。
增强了自己通过查阅文献和资料解决问题的能力。
另外。
在分析问题、解决问题的过程中，我更是获得一种成功的喜悦，进而增加学习和应用的兴趣。
同时也要督促自己在学习的过程中不断的完善自我，加强自己的动手操作能力，培养我的独立思考的那种思维方式。
当然，在这个过程中我也遇到了很多问题和困难，但是，在自己的努力和老师同学的帮助下，问题都得到了很好的解决。
宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。
我相信，在以后的学习过程中，只要我们有耐心和信心，我们一定能解决问题。
再次对给过我帮助的所有同学和各位指导老师表示忠心的感谢！
没有你们的帮助我想我是不能这么好的完成这项工作的。
参考文献
[1]AbrahamSilberschatz,《OperatingSystemConcepts（SixthEdition）（操作系统概念）影印第六版》[M],高等教育出版社，2004.4
[2]张尧学,《计算机操作系统教程（第三版）》[M].清华大学出版社,2001.7
[3]庞丽萍,《操作系统原理（第三版）》[M],华中科技大学出版社,2000.12
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