操作系统实验指导完整版.docx

1、操作系统实验指导完整版操作系统实验指导适用课程：操作系统适用专业：计算机科学与技术 软件工程实验环境的使用实验性质：验证建议学时：2学时一、实验目的熟悉操作系统集成实验环境OS Lab的基本使用方法。练习编译、调试EOS操作系统内核以及EOS应用程序。二、预备知识 阅读EOS实验指南第一章，对EOS操作系统和集成实验环境有一个初步的了解。三、实验内容3.1 启动OS Lab1.在安装有OS Lab的主机上，可以使用两种不同的方法来启动OS Lab：在桌面上双击“Tevation OS Lab”图标。点击“开始”菜单，在“程序”中的“Tevation OS Lab”中选择“Tevation OS

2、 Lab”。2.OS Lab每次启动后都会首先弹出一个用于注册用户信息的对话框（可以选择对话框标题栏上的“帮助”按钮获得关于此对话框的帮助信息）。在此对话框中填入学号和姓名后，点击“确定”按钮完成本次注册。3.观察OS Lab主窗口的布局。OS Lab主要由下面的若干元素组成：菜单栏、工具栏以及停靠在左侧和底部的各种工具窗口，余下的区域用来放置编辑器窗口。3.2 学习OS Lab的基本使用方法通过练习使用OS Lab编写一个Windows控制台应用程序，熟悉OS Lab的基本使用方法（包括新建项目、生成项目、调试项目等）。3.2.1 新建Windows控制台应用程序项目 新建一个Windows

3、控制台应用程序项目的步骤如下：1.在“文件”菜单中选择“新建”，然后单击“项目”。2.在“新建项目”对话框中，选择项目模板“控制台应用程序 (c)”。3.在“名称”中输入新项目使用的文件夹名称“oslab”。4.在“位置”中输入新项目保存在磁盘上的位置“C:Test”。5.点击“确定”按钮。创建完毕后 OS Lab 会自动打开这个新建的项目。在“项目管理器”窗口中，树的根节点表示项目，可以看到项目的名称是“console”，各个子节点是项目包含的文件夹或者文件。此项目的源代码主要包含一个头文件“console.h”和一个C语言源文件“console.c”,如图1：图1：打开Windows控制台

4、应用程序项目后的“项目管理器”窗口可以使用Windows资源管理器打开磁盘上的“C:testoslab”文件夹查看项目中包含的文件。3.2.2 生成项目使用“生成项目”功能可以将程序的源代码编译为可执行的二进制文件，方法十分简单：在“生成”菜单中选择“生成项目”。在项目的生成过程中，“输出”窗口会实时显示生成的进度和结果。如果源代码中不包含语法错误，会在最后提示生成成功，如图2：图2：成功生成Windows控制台应用程序项目后的“输出”窗口 如果在源代码中存在语法错误，在“输出”窗口中会输出对应的错误信息（信息中包括错误所在的文件和行号，以及错误原因），并在最后提示生成失败。此时在“输出”窗口

5、中双击错误信息所在的行，OS Lab会使用源代码编辑器打开错误所在的文件，并自动定位到对应的代码行。可以在源代码中故意输入一些错误的代码（例如删除一个代码行结尾的分号），然后再次生成项目，练习在“输出”窗口中双击错误信息来定位存在错误的代码行，将代码修改正确后再生成项目。生成过程是将每个源代码文件（.c、.cpp、.asm等文件）编译为一个对象文件（.o文件），然后再将多个对象文件链接为一个目标文件（.exe、.dll等文件）。成功生成Windows控制台应用程序项目后，默认会在“C:testoslabdebug 目录下生成一个名称为“console.o”的对象文件和名称为“console.e

6、xe”的 Windows 控制台应用程序，可以使用Windows资源管理器查看这些文件。3.2.3 执行项目在OS Lab中选择“调试”菜单中的“开始执行(不调试)”，就可以执行此控制台应用程序。启动执行后会弹出一个Windows控制台窗口，显示控制台应用程序输出的内容。按任意键即可关闭此控制台窗口。3.2.4 调试项目OS Lab 提供的调试器是一个功能强大的工具，使用此调试器可以观察程序的运行时行为并确定逻辑错误的位置，可以中断（或挂起）程序的执行以检查代码，计算和编辑程序中的变量，查看寄存器，以及查看从源代码创建的指令。为了顺利进行后面的各项实验，应该学会灵活使用这些调试功能。在练习各种

7、调试功能之前，需要对例子程序进行必要的修改，步骤如下：1.右键点击“项目管理器”窗口中的“源文件”文件夹节点，在弹出的快捷菜单中选择“添加”中的“添加新文件”。2.在弹出的“添加新文件”对话框中选择“C 源文件”模板。3.在“名称”中输入文件名称“func”。4.点击“添加”按钮添加并自动打开文件func.c，此时的“项目管理器”窗口如图3：图3：添加func.c文件后的“项目管理器”窗口5.在 func.c 文件中添加函数：int Func (int n) n = n + 1; return n;6.点击源代码编辑器上方的console.c标签，切换到console.c文件。将 main 函

8、数修改为：int main (int argc, char* argv) int Func (int n); / 声明Func函数 int n = 0; n = Func(10); printf (Hello World!n); return 0;代码修改完毕后按F7（“生成项目”功能的快捷键）。注意查看“输出”窗口中的内容，如果代码中存在语法错误，就根据提示进行修改，直到成功生成项目。3.2.4.1 使用断点中断执行1.在main函数中定义变量n的代码行 int n = 0;上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“插入/删除断点”，会在此行左侧的空白处显示了一个红色圆点，表示已经成功在此行代

9、码处添加了一个断点，如图4：图4：在console.c文件的main函数中添加断点后的代码行2.在“调试”菜单中选择“启动调试”，Windows控制台应用程序开始执行，随后OS Lab窗口被自动激活，并且在刚刚添加断点的代码行左侧空白中显示了一个黄色箭头，表示程序已经在此行代码处中断执行（也就是说下一个要执行的就是此行代码），如图5：图5：Windows控制台应用程序启动调试后在断点处中断执行3.激活Windows控制台应用程序的窗口，可以看到窗口中没有输出任何内容，因为printf函数还没有被执行。3.2.4.2 单步调试按照下面的步骤练习使用“逐过程”功能：1.在OS Lab的“调试”菜单

10、中选择“逐过程”，“逐过程”功能会执行黄色箭头当前指向的代码行，并将黄色箭头指向下一个要执行的代码行。2.按F10（“逐过程”功能的快捷键），黄色箭头就指向了调用printf函数的代码行。查看控制台应用程序窗口，仍然没有任何输出。3.再次按F10执行printf函数，查看控制台应用程序窗口，可以看到已经打印出了内容。4.仔细体会“逐过程”调试功能后，在“调试”菜单中选择“停止调试”，结束此次调试。按照下面的步骤练习使用“逐语句”功能和“跳出”功能：1.按F5（“启动调试”功能的快捷键），仍然会在之前设置的断点处中断。2.按F10逐过程调试，此时黄色箭头指向了调用函数Func的代码行。3.在“调

11、试”菜单中选择“逐语句”，可以发现黄色箭头指向了函数Func中，说明“逐语句”功能可以进入函数来调试函数中的语句。4.选择“调试”菜单中的“跳出”，会跳出Func函数，返回到上级函数中继续调试（Func函数已经执行完毕）。5.按SHIFT+F5（“停止调试”功能的快捷键），结束此次调试。自己练习使用“逐过程”、“逐语句”和“跳出”功能，注意体会“逐过程”和“逐语句”的不同。3.2.4.3 查看变量的值在调试的过程中，OS Lab提供了三种查看变量值的方法，按照下面的步骤练习这些方法：1.按F5启动调试，仍然会在之前设置的断点处中断。2.将鼠标移动到源代码编辑器中变量n的名称上，此时会弹出一个窗

12、口显示出变量n当前的值（由于此时还没有给变量n赋值，所以是一个随机值）。3.在源代码编辑器中变量n的名称上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“快速监视”，可以使用“快速监视”对话框查看变量n的值。点击“关闭”按钮关闭“快速监视”对话框。4.在源代码编辑器中变量n的名称上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“添加监视”，变量n就被添加到了“监视”窗口中。使用“监视”窗口可以随时查看变量的值和类型。此时按F10进行一次单步调试，可以看到“监视”窗口中变量n的值会变为0，如图6：图6：使用“监视”窗口查看变量的值和类型如果想使用十进制查看变量的值，可以点击工具栏上的“十六进制”按钮，从而在十六进制

13、和十进制间切换。自己练习使用不同的进制表示和不同的方法来查看变量的值，然后结束此次调试。3.2.4.4 调用堆栈使用“调用堆栈”窗口可以在调试的过程中查看当前堆栈上的函数，帮助理解函数的调用层次和调用过程。按照下面的步骤练习使用“调用堆栈”窗口：1.按F5启动调试，仍然会在之前设置的断点处中断。2.选择“调试”菜单“窗口”中的“调用堆栈”，激活“调用堆栈”窗口。可以看到当前“调用堆栈”窗口中只有一个main函数。3.按F11调试进入Func函数，查看“调用堆栈”窗口可以发现在堆栈上有两个函数Func和main，其中当前正在调试的Func函数在栈顶位置，main函数在栈底位置。说明是在main函

14、数中调用了Func函数。4.在“调用堆栈”窗口中双击main函数所在的行，会有一个绿色箭头指向main函数所在的行，表示此函数是当前调用堆栈中的活动函数。同时会将main函数所在的源代码文件打开，并也使用一个绿色箭头指向Func函数返回后的位置。5.在“调用堆栈”窗口中双击Func函数所在的行，可以重新激活此堆栈帧，并显示对应的源代码。6.反复双击“调用堆栈”窗口中Func函数和main函数所在的行，查看“监视”窗口中变量n的值，可以看到在不同的堆栈帧被激活时，OS Lab调试器会自动更新“监视”窗口中的数据，显示出对应于当前活动堆栈帧的信息。7.结束此次调试。3.3 EOS内核的编译和调试之

15、前练习了对Windows控制台应用程序项目的各项操作，对EOS内核项目的各项操作（包括新建、生成和各种调试功能等）与对Windows控制台项目的操作是完全一致的。所以，下面实验内容的重点不再是各种操作的具体步骤，而应将注意力放在对EOS操作系统内核项目的理解上。3.3.1 新建EOS内核项目 新建一个EOS内核项目的步骤如下：1.在“文件”菜单中选择“新建”，然后单击“项目”。2.在“新建项目”对话框中，选择项目模板“EOS Kernel”。3.在“名称”中输入新项目使用的文件夹名称“eos”。4.在“位置”中输入新项目保存在磁盘上的位置“C:”。5.点击“确定”按钮。此项目就是一个EOS操作

16、系统内核项目，包含了EOS操作系统内核的所有源代码文件。 接下来在“项目管理器”窗口中查看EOS内核项目包含的文件夹和源代码文件，可以看到不同的文件夹包含了EOS操作系统不同模块的源代码文件，例如“mm”文件夹中包含了内存管理模块的源代码文件，“boot”文件夹中包含了软盘引导扇区程序和加载程序的源代码文件。也可以使用Windows资源管理器打开项目所在的文件夹C:eos，查看所有源代码文件。3.3.2 生成项目1.按F7生成项目，同时查看“输出”窗口中的内容，确认生成成功。2.打开C:eosdebug文件夹，查看生成的对象文件和目标文件。找到boot.bin、loader.bin和kerne

17、l.dll三个二进制文件，这三个文件就是EOS操作系统在运行时需要的可执行文件。OS Lab每次启动运行EOS操作系统之前，都会将这三个文件写入一个软盘镜像文件中，然后让虚拟机运行这个软盘镜像中的EOS（相当于将写有这三个二进制文件的软盘放入一个物理机的软盘驱动器中，然后按下开机按钮）。找到libkernel.a文件，此文件是EOS内核文件kernel.dll对应的导入库文件。3.3.3 调试项目1.在“项目管理器”窗口的ke文件夹中找到start.c文件节点，双击此文件节点使用源代码编辑器打开start.c文件。2.在start.c文件中KiSystemStartup函数的“KiInitia

18、lizePic();”语句所在行（第61行）添加一个断点，如图7：图7：在EOS内核项目的ke/start.c文件的第61行添加一个断点3.按F5启动调试，虚拟机开始运行软盘镜像中的EOS。在虚拟机窗口中可以看到EOS启动的过程。随后EOS会在刚刚添加的断点处中断执行，激活虚拟机窗口可以看到EOS也不再继续运行了。各种调试功能（包括单步调试、查看变量的值和各个调试工具窗口）的使用方法与调试Windows控制台程序完全相同，可以自己练习。4.按F5继续执行。查看虚拟机窗口，显示EOS操作系统已经启动，并且EOS的控制台程序已经开始运行了。5.在“调试”菜单中选择“停止调试”，调试被终止。3.3.

19、4 查看软盘镜像文件中的内容在“项目管理器”窗口中双击软盘镜像文件Floppy.img，就会使用FloppyImageEditor工具打开此文件(在FloppyImageEditor工具中按F1可以查看此工具的帮助文件)。在FloppyImageEditor工具的文件列表中可以找到loader.bin文件和kernel.dll文件，这两个文件都是在启动调试时被写入软盘镜像文件的（可以查看这两个文件的修改日期）。boot.bin文件在启动调试时被写入了软盘镜像的引导扇区中，不受软盘文件系统的管理，所以在文件列表中找不到此文件。关闭FloppyImageEditor工具。3.3.5 查看EOS S

20、DK（Software Development Kit）文件夹1.点击OS Lab工具栏上的“项目配置”下拉列表，选择下拉列表中的“Release”项目配置，“Release”项目配置被设置为新的活动项目配置（原来的活动项目配置是“Debug”）。如图8：图8：使用工具栏上的“项目配置”下拉列表切换活动项目配置2.按F7使用Release配置生成项目。3.生成完毕后，使用Windows资源管理器打开C:eos文件夹，可以发现在文件夹中多出了一个SDK文件夹，此文件夹就是在生成EOS Kernel项目的同时自动生成的。4.SDK文件夹中提供了开发EOS应用程序需要的所有文件。打开SDK文件夹中的

21、bin文件夹，可以看到有两个名称分别为debug和release的文件夹。debug文件夹是在使用debug配置生成项目时生成的，其中存放了调试版本的EOS二进制文件。release文件夹是在使用release配置生成项目时生成的，其中存放了发布版本的EOS二进制文件。分别打开这两个文件夹查看其中包含的文件。5.打开SDK文件夹中的inc文件夹，可以看到此文件夹中存放了EOS用于导出API函数和重要数据类型定义的头文件，在编写EOS应用程序时必须包含这些头文件。每次在开发EOS应用程序之前都应该使用EOS Kernel项目的debug配置和release配置来生成EOS Kernel项目，这样

22、才能够得到完全版本的SDK文件夹供EOS应用程序使用。结合EOS实验指南第一章中关于EOS内核从源代码到可在虚拟机中运行过程的介绍，仔细体会EOS内核项目生成、调试的过程，以及EOS SDK文件夹生成的过程和组织方式。3.4 EOS应用程序的编译和调试3.4.1 新建EOS应用程序项目 新建一个EOS内核项目的步骤如下：1.在“文件”菜单中选择“新建”，然后单击“项目”。2.在“新建项目”对话框中，选择项目模板“EOS 应用程序”。3.在“名称”中输入新项目使用的文件夹名称“eosapp”。4.在“位置”中输入新项目保存在磁盘上的位置“C:”。5.点击“确定”按钮。此项目就是一个EOS应用程序

23、项目。使用Windows资源管理器将之前生成的C:eossdk文件夹拷贝覆盖到C:eosappsdk位置。这样EOS应用程序就可以使用最新版本的EOS SDK文件夹了。3.4.2 生成项目1.按F7生成项目，同时查看“输出”窗口中的内容，确认生成成功。2.打开C:eosappdebug文件夹，查看生成的对象文件和目标文件。其中的eosapp.exe就是EOS应用程序的可执行文件。OS Lab每次启动EOS应用程序时，都会将EOS应用程序的可执行文件写入软盘镜像，并且会将SDK文件夹中对应配置（Debug或Release）的二进制文件写入软盘镜像，然后让虚拟机运行软盘镜像中的EOS，待EOS启动

24、后再自动执行EOS应用程序。3.4.3 调试项目调试EOS应用程序项目与之前的两个项目有较大的不同，之前的两个项目在调试时都是先添加断点再启动调试，而EOS应用程序项目必须先启动调试再添加断点，步骤如下：1.按F5启动调试。OS Lab会弹出一个调试异常对话框，选择“是”调试异常，EOS应用程序会中断执行，黄色箭头指向下一个要执行的代码行。2.在eosapp.c的printf(Hello world!n);代码行添加一个断点，然后按F5继续调试，在此断点处中断。3.按F10单步调试，查看虚拟机窗口，打印输出了“Hello world!”。4.按F5继续调试，查看虚拟机窗口，EOS应用程序执行完

25、毕。5.在“调试”菜单中选择“停止调试”，调试被终止。6.选择“调试”菜单中的“删除所有断点”。只有删除所有断点后才能按F5再次启动调试，否则启动调试会失败。3.4.4查看软盘镜像文件中的内容使用FloppyImageEditor工具打开该项目中的Floppy.img文件，查看软盘镜像中的文件。loader.bin和kernel.dll是从C:eosappsdkbindebug文件夹写入的，C:eosappsdkbindebugboot.bin被写入了软盘镜像文件的引导扇区中。eosapp.exe就是本项目生成的EOS应用程序。EOS操作系统启动后会根据autorun.txt文本文件中的内容启

26、动执行eosapp.exe程序，双击autorun.txt文件查看其内容。结合EOS实验指南第一章中关于EOS应用程序从源代码到可在虚拟机中运行过程的介绍，仔细体会EOS应用程序项目生成、调试的过程，以及EOS应用程序是如何使用EOS SDK文件夹的。3.5 退出OS Lab1.在“文件”菜单中选择“退出”。2.在OS Lab关闭前会弹出一个保存数据对话框（可以选择对话框标题栏上的“帮助”按钮获得帮助信息），核对学号和姓名无误后点击“保存”按钮，OS Lab关闭。3.在OS Lab关闭后默认会自动使用Windows资源管理器打开数据文件所在的文件夹，并且选中刚刚保存的数据文件（OUD文件）。将

27、数据文件备份（例如拷贝到自己的U盘中或者发送到服务器上），做为本次实验的考评依据。3.6 保存EOS内核项目如果要在课余时间阅读EOS源代码，或者调试EOS源代码，可以按照下面的步骤操作：1.使用OS Lab重新打开之前创建的EOS内核项目。在“起始页”的“最近的项目”列表中会有内核项目的快捷方式。2.使用Debug配置生成此项目。再此启动调试此项目后结束调试，从而制作包含Debug版本EOS操作系统的软盘镜像文件。3.将此项目复制到自己的计算机中。注意，项目在磁盘中的位置不能改变，例如实验中此项目在C:eos位置，就必须复制到自己计算机中的C:eos位置。4.在自己的计算机中安装OS Lab

28、演示版，使用演示版程序阅读EOS源代码，或者调试EOS源代码。OS Lab演示版程序可以使用教师分发的安装包进行安装。建议使用和正式版版本号相同的演示版程序。四、思考与练习练习使用单步调试功能（逐过程、逐语句），体会在哪些情况下应该使用“逐过程”调试，在哪些情况下应该使用“逐语句”调试。练习使用各种调试工具（包括“监视”窗口、“调用堆栈”窗口、“反汇编”窗口等）。思考生成EOS SDK文件夹的目的和作用。查看EOS SDK文件夹中的内容，明白文件夹的组织结构和各个文件的来源和作用。查看EOS应用程序包含了SDK文件夹中的哪些头文件，是如何包含的？五、相关阅读启动OS Lab后，选择“帮助”菜单

29、中的“帮助主题”，阅读帮助开始页中的 “如何：使用代码阅读工具”，熟练使用各种代码阅读工具可以大大提高阅读EOS源代码的效率。打开OS Lab帮助左侧的“目录”标签，阅读“参考”文件夹中的“如何：打开项目属性页”、“如何：更改活动项目配置”、“如何：为项目添加文件”。阅读其它主题，了解更多关于OS Lab的信息。访问了解关于OS Lab的最新信息。登陆网站中的论坛，可以在论坛中进行答疑或者参与讨论。操作系统的启动实验性质：验证建议学时：2学时一、实验目的跟踪调试EOS在PC机上从加电复位到成功启动的全过程，了解操作系统的启动过程。二、预备知识 阅读EOS实验指南的第三章，了解EOS操作系统的启

30、动过程。阅读2.4节，复习汇编语言的相关知识，并掌握NASM汇编代码的特点。阅读附录A，了解Bochs和Virtual PC这两款虚拟机软件的特点，重点熟悉Bochs的调试命令。三、实验内容3.1 准备实验1.启动OS Lab。2.新建一个EOS Kernel项目。3.在“项目管理器”窗口中打开boot文件夹中的boot.asm和loader.asm两个汇编文件。boot.asm是软盘引导扇区程序的源文件，loader.asm是loader程序的源文件。简单阅读一下这两个文件中的NASM汇编代码和注释。4.按F7生成项目。5.生成完成后，使用Windows资源管理器打开项目文件夹中的Debug

31、文件夹。找到由boot.asm生成的软盘引导扇区程序boot.bin文件，该文件的大小一定为512字节（与软盘引导扇区的大小一致）；找到由loader.asm生成的loader程序loader.bin文件，记录下此文件的大小，在下面的实验中会用到；找到由其它源文件生成的操作系统内核文件kernel.dll。3.2 调试EOS操作系统的启动过程3.2.1 使用Bochs做为远程目标机按照下面的步骤将调试时使用的远程目标机修改为Bochs：1.在“项目管理器”窗口中，右键点击目录树的根节点（kernel），选择快捷菜单中的“属性”，弹出项目的“属性页”对话框（此时按F1可以获得关于属性页的帮助）。2.在弹出的“属性页”对话框右侧的属性列表中找到“远程目标机”属性，将此属性值修改为“Bochs Debug”（此时按F1可以获得关于此属性的帮助）。3.点击“确定”按钮关闭“属性页”对话框。接下来就可以使用Bochs模拟器调试BIOS程序和软盘引导扇区程序了。3.2.2 调试BIOS程序按F5启动调试，此时会弹出两个Bochs窗口。标题为“Bochs for windows - Dis