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2
2实验环境2
3实验内容2
3.1实验一2
3.2实验二2
3.3实验三3
3.4实验四3
3.5实验五（选做）3
4设计与实现3
4.1实验一3
4.2实验二6
4.3实验三9
4.4实验四11
5心得体会14
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16.04，内核版本号为linux4.4.4；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Ubuntu15.10（内核为linux4.2.0-42）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4.1：
图4.1运行之前图
运行./lab1_1text1.txttext2.txt后结果如下图4.2：
图4.2运行之后图
由上图可见text1.txt成功拷贝至text2.txt
（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-getinstalllibgtk2.0-dev
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_2lab1_2.c`pkg-config--cflags--libsgtk+-2.0`
代码见附件中的源码，实验结果如下图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
（1）下载一个内核https:
//www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/
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/linux-4.4.4/kernel目录下的sys.c最后。
（3）添加系统调用号
在/usr/src/linux-4.4.4/arch/x86/entry/syscalls目录下修改syscall_64.tbl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
（4）添加系统调用程序的声明
在/usr/src/linux-4.4.4/include/linux目录下的syscalls.h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）;
（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：
sudomakemenuconfig
图4.4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//安装内核模块
sudomakeinstall//安装内核
安装完毕后重启，在Ubuntu高级选项中进入新的内核。
（6）编写系统调用测试程序
#include
#include
intmain（）{
syscall（326,"text1.txt","text2.txt"）;
return0;
}
实验结果如下图4.5：
图4.5运行之前的图
./lab2后如下图：
图4.6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*.mod.c.tmp_versions
.PHONY:
modulesmodules_installclean
else
obj-m:
=mydev.o
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4.7make图
编译成功，生成mydev.k
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