操作系统课程设计报告.docx

1、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

2、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

3、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

4、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G

5、TK，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：sudo apt-get install 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void havetime()、void cpu_usage()、void add()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_windo

6、w_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

7、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 -o lab1_2 pkg-config -cflags -libs gtk+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

8、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

9、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：326 common mysyscall sys_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：asmlinkage int sys_mysyscall(char* sourceFile,char* destFile);（4） 编译、安

10、装内核在 /usr/src/ 目录下对内核选项进行配置：sudo make menuconfig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）：sudo make -j 4大概1个小时左右编译完毕，再安装内核：sudo make modules_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

11、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Makefil

12、e文件Makefile文件用于编译设备驱动程序，其内容如下：iifeq ($(KERNELRELEASE),) KERNELDIR = /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd)modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesmodules_install: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_installclean: rm -rf *.o * core .depend .*.cmd *.ko *. .tmp_versions.

13、PHONY: modules modules_install cleanelse 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

14、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1 make，调用Makefile编译设备驱动程序图 make图编译成功，生成文件2 sudo insmod 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2483 sudo /dev/mydev c 248 0 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myd

15、ev（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 sudo rmmod mydev 来删除模块 sudo rm /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

16、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page one、page two、page three。page one：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“page one”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：hboxscrolled_windowvboxframebuttonclistGtkWidget *button4 = gtk_label_new(Page one);lab

17、el1 = 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

18、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

19、道远！总之，这次课设受益匪浅。6 附录（源码）实验一：第一题：#include #define buffer_size 1000int main(int argc,char *argv) if(argc != 3) ead = my_read, .write = my_write, .open = my_open, .release = my_release;int init_module() int ret; ret = register_chrdev(0,devname,&pstruct); if(ret 0) printk(regist failuren); return -1; els

20、e printk(the device has been registered!n); device_num = ret; printk(the virtual devices major number %d.n, device_num); printk(Or you can see it by usingn); printk(-more /proc/devices-n); printk(To talk to the driver,create a dev file withn); printk(-mknod /dev/myDevice c %d 0-n, device_num); print

21、k(Use rmmode to remove the modulen); return 0; void cleanup_module() unregister_chrdev(device_num,devname); printk(unregister it successn);static int my_open(struct inode *inode,struct file *file) printk(main device : %dn, MAJOR(inode-i_rdev); printk(slave device : %dn, MINOR(inode-i_rdev); printk(%

22、d times to call the devicen, +counter); try_module_get(THIS_MODULE); return 0;static int my_release(struct inode *inode,struct file *file) printk(Device released!n); module_put(THIS_MODULE); return 0;static ssize_t my_write(struct file *file,const char _user *user,size_t t,loff_t *f) if(copy_from_us

23、er(message,user,sizeof(message) return -EFAULT; return sizeof(message);static ssize_t my_read(struct file *file,char _user *user,size_t t,loff_t *f) if(copy_to_user(user,message,sizeof(message) return -EFAULT; return sizeof(message);:#include #include #include #include #include #include #include #de

24、fine MAX_SIZE 1024 int main(void) int fd; char bufMAX_SIZE; char getMAX_SIZE; char devName20, dir50 = /dev/; system(ls /dev/); printf(Please input the devices name you wanna to use :); gets(devName); strcat(dir, devName); fd = open(dir, O_RDWR | O_NONBLOCK); if (fd != -1) read(fd, buf, sizeof(buf);

25、printf(The device was inited with a string : %sn, buf); /* 测试写 */ printf(Please input a string :n); gets(get); write(fd, get, sizeof(get); /* 测试读 */ read(fd, buf, sizeof(buf); system(dmesg); printf(nThe string in the device now is : %sn, buf); close(fd); return 0; else printf(Device open failedn); r

26、eturn -1; makefile:ifeq ($(KERNELRELEASE),) KERNELDIR = /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd)modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesmodules_install: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_installclean: rm -rf *.o * core .depend .*.cmd *.ko *. .tmp_versions.PHONY: modul

27、es modules_install cleanelse 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*/ int p=0,q=0,r=0,s=0; char bufferf11000; sprintf(bufferl, Page two); 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(); return 0; 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.