华科操作系统实验报告.docx

1、华科操作系统实验报告 课 程 实 验 报 告课程名称： 操作系统课程设计 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 课程设计任务书一课设目的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。二课设内容1.掌握Linux操作系统的使用方法，包括键盘命令、系统调用；掌握在Linux下的编程环境。（一）编一个C程序，其内容为实现文件拷贝的功能；（二）编一个C程序，其内容为分窗口同时显示三个并发进程的运行结果。要求用到Linux下的图形库。gtk/qt 2.掌握系统调用的实现过程，通过编译内核方法，增加一个新的

2、系统调用。另编写一个应用程序，调用新增加的系统调用（实现的功能为文件拷贝）。3.掌握增加设备驱动程序的方法。通过模块方法，增加一个新的设备驱动程序，其功能可以简单（实现字符设备的驱动）。4.了解和掌握/proc文件系统的特点和使用方法 （选做）（一）了解/proc文件的特点和使用方法（二）监控系统状态，显示系统中若干部件使用情况（三）用图形界面实现系统监控状态。5.设计并实现一个模拟的文件系统（选做） 多用户的多级目录的文件系统设计。 多用户、多级目录、login (用户登录)、系统初始化（建文件卷、提供登录模块）、文件的创建、文件的打开、文件的读、文件的写、文件关闭、删除文件、创建目录（建立

3、子目录）、改变当前目录、列出文件目录、退出。三课设说明Linux系统版本：Fedora 5.0 6.0 ubuntu 10.04 11.10 内核版本： linux-2.6.x四考核要求1必须独立完成课程设计内容，不分小组，不能有相同的拷贝。2上机考试：学生根据老师提出的要求，演示所完成的系统；并回答老师的问题。3第三周五下午2:00全体到实验室做中期检查，只检查1、2题；第四周 周五下午2:00：最后检查。按学号次序逐个检查。4评分方法： 完成1、2题，得60-65分； 完成1、2、3题，得65-75分； 完成1、2、3、4（5）题，得80-100分； 报告：10分(倒扣分)上交：课程设计报

4、告(打印/电子档)，内容包括调试记录和程序清单(附注释)。第六周五前以班为单位交指导老师。五参考资料 Linux的“man”帮助！Linux内核2.4版源代码分析大全Linux内核源代码分析Linux编程白皮书 课程内容与过程一掌握Linux操作系统的使用方法，包括键盘命令、系统调用；掌握在Linux下的编程环境。1)编一个C程序，其内容为实现文件拷贝的功能。1任务分析： 在Linux下，如果要编译一个C语言源程序，要使用到gcc编译器。gcc编译器中， -o选项表示我们要求输出的可执行文件名。-c选项表示我们只要求编译器输出目标代码，而不必要输出可执行文件。 -g选项表示我们要求编译器在编译

5、的时候提供我们以后对程序进行调试的信息。知道了这三个选项，我们就可以编译我们自己所写的简单的源程序了。文件拷贝的C程序主要用到如下几个函数： open：打开文件 open（）函数 功能描述：用于打开或创建文件，在打开或创建文件时可以指定文件的属性及用户的权限等各种参数。 所需头文件：#include ,#include ,#include 函数原型：int open(const char *pathname,int flags,int perms) 参数：pathname:被打开的文件名（可包括路径名如dev/ttyS0） flags:文件打开方式, O_RDONLY:以只读方式打开文件 O_

6、WRONLY:以只写方式打开文件 O_RDWR:以读写方式打开文件 O_CREAT:如果改文件不存在，就创建一个新的文件，并用第三个参数为其设置权限返回值：成功：返回文件描述符 失败：返回-1close：关闭文件 close（）函数 功能描述：用于关闭一个被打开的的文件 所需头文件： #include 函数原型:int close(int fd) 参数：fd文件描述符 函数返回值：0成功，-1出错read：读操作 read（）函数 功能描述： 从文件读取数据。 所需头文件： #include 函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

7、 参数：fd： 将要读取数据的文件描述词。 buf：指缓冲区，即读取的数据会被放到这个缓冲区中去。 count： 表示调用一次read操作，应该读多少数量的字符。 返回值：返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。write：写操作 write（）函数 功能描述： 向文件写入数据。 所需头文件： #include 函数原型：ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count); 返回值：写入文件的字节数（成功）；-1（出错）2实现文件拷贝的源程序如下所示： #include #includeint main(int argc,char *arg

8、v) int sfd,tfd,num; char *buf; if(argc!=3) printf(ERROR!COPY FROM TOn); return -1; if(sfd=open(argv1,O_RDONLY,0)=-1) printf(ERROR,OPEN FILE FAILED !n); return -1; if(tfd=open(argv2,O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0666)=-1) printf(TARGET FILE OPEN FAIL !n); return -1; while(num=read(sfd,buf,1)0) write(tfd,b

9、uf,num); close(sfd); close(tfd); exit(0);3程序运行结果 源程序通过gcc编译器编译后会生成可执行文件1，执行可执行文件1之前，/hukeled目录下的文件a内容如图1所示，文件b内容如图2所示。 图1 执行1前文件a中的内容 图2 执行1前文件b中的内容 执行1后，目录/hukeled下文件b中的内容如图3所示，由图可知文件a的内容正确无误的拷贝到了文件b中，故程序运行结果正确。 图3 执行1后文件b中的内容 同时，源程序还可以实现图片等字符流数据的拷贝。2)编一个C程序，其内容为分窗口同时显示三个并发进程的运行结果。要求用到Linux下的图形库。1任

10、务分析：程序是指令的有序集合，是一个静态概念，其本身并没有任何运行的含义。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，是一个动态概念。一个程序可能有许多进程，而每一个进程又可以有许多子进程。为了区分各个不同的进程，系统给每一个进程分配了一个ID(就象我 们的身份证)以便识别。 为了充分的利用资源，系统还对进程区分了不同的状态，将进程分为新建、运行、阻塞、就绪和完成五个状态。当一个进程调用了fork以后，系统会创建一个子进程。这个子进程和父进程不同的地方只有他的进程ID和父进程ID，其他的都是一样，就像父进程克隆(clone)自己一样。当然创建两个一模一样的进程是没有意义的。为了区分父进程和子进程,我

11、们必须跟踪fork的返回值， 当fork调用失败的时候(内存不足或者是用户的最大进程数已到)fork返回-1。否则fork的返回值有重要的作用。对于父进程fork返回子进程的ID，而对于fork子进程返回0。我们可以根据这个返回值来区分父子进程。 Qt是一个跨平台的C+图形用户界面库，具有优良的跨平台特性:1)Qt支持下列操作系统: Microsoft Windows 95/98， Microsoft Windows NT， Linux， Solaris， SunOS， HP-UX， Digital UNIX (OSF/1， Tru64)， Irix， FreeBSD， BSD/OS， SCO

12、， AIX， OS390，QNX 等等。2)面向对象3)Qt 的良好封装机制使得 Qt 的模块化程度非常高，可重用性较好，对于用户开发来说是非常 方便的。 Qt 提供了一种称为 signals/slots 的安全类型来替代 callback，这使得各个元件 之间的协同工作变得十分简单。4)丰富的 API5)Qt 包括多达 250 个以上的 C+ 类，还提供基于模板的 collections， serialization， file， I/O device， directory management， date/time 类。甚至还包括正则表达式的处理 功能。6)支持 2D/3D 图形渲染，支持

13、 OpenGL7)大量的开发文档8)XML 支持。 在编译qt程序时，需要用到与编译普通程序不同的命令。比如程序名为hello，则编译过程为： 用qt的工具qmake来生成工程文件：qmake-project；生成Makefile文件：qmakehello.pro；接下来就是make；运行程序./hello。2程序源代码为：int main(int argc, char *argv) QApplication a(argc, argv); MainWindow w; w.show(); pid_t p1,p2,p3; if (p1=fork() = 0) execv(/home/hukeled

14、/1.2/2,NULL); else if (p2=fork()=0) execv(/home/hukeled/1.2/3,NULL); return a.exec();二、 掌握系统调用的实现过程，通过编译内核方法，增加一个新的系统调用。另编写一个应用程序，调用新增加的系统调用（实现的功能为文件拷贝）。 1 任务分析：一般的，进程是不能访问内核的。它不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数。CPU硬件决定了这些（这就是为什么它被称作保护模式）。系统调用是这些规则的一个例外。其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置（当然，这个位

15、置是用户进程可读但是不可写的）。在Intel CPU中，这个由中断0x80实现。硬件知道一旦你跳到这个位置，你就不是在限制模式下运行的用户，而是作为操作系统内核。进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程（或到其他进程，如果这个进程时间用尽）。 系统调用是应用程序和操作系统内核之间的功能接口，通过系统调用进程可由用户模式转入内核模式。在内核模式下完成相应的服务之后再返回到用户模式。系统调用

16、的主要目的是使得用户可以使用操作系统提供的有关设备管理、输入输出系统、文件系统和进程控制、通信以及存储管理等方面的功能，而不必了解系统程序的内部结构和有关硬件细节，从而起到减轻用户负担和保护系统以及提高资源利用率的作用。 本次课设，我通过编译内核的方式，增加了一个系统调用，其功能为文件拷贝。2添加的系统调用源代码和测试程序系统调用源代码asmlinkage int sys_mycall(char* sourceFile,char* destFile) int source=sys_open(sourceFile,O_RDONLY,0); int dest=sys_open(destFile,O

17、_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0600); char buf4096; mm_segment_t fs; fs = get_fs(); set_fs(get_ds(); int i; if(source0 & dest0) 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); return 1;测试程序源代码#include #include int main(in

18、t argc ,char * argv) syscall(351,argv1,argv2); return 0;3实验过程与步骤根据教程第一步：(1)获取系统的版本号,使用命令uname -a, 获取版本号为3.13.0(2)下载3.12.39的内核,解压到文件夹/usr/src中,解压命令： xz d linux-3.13.tar.xz tar xvf linux-3.13.tar(3)进入linux-3.13.0目录，清除残留的.config和.o文件,命令: make mrproper(4)安装ncurses-5.9：下载ncurses-5.9，按照安装linux-3.13的方法解压nc

19、urses-5.9到文件来/usr/src中，进入文件夹ncurses-5.9中配置环境：cd ncurses-5.9./configuremakemake install(5)make menuconfig选择编译配置选项。(6)确定依赖性：make dep(7)清理中间文件：make clean(8)生成新内核：make bzImage(9)生成modules：make modules(10)安装modules：make modules_install(11)安装内核make install(12)重启选用新内核第二步：添加自定义系统调用(1) 添加系统调用函数，修改文件：/kernel/

20、sys.casmlinkage int sys_mycall(char* sourceFile,char* destFile) int source=sys_open(sourceFile,O_RDONLY,0); int dest=sys_open(destFile,O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC,0600); char buf4096; mm_segment_t fs; fs = get_fs(); set_fs(get_ds(); int i; if(source0 & dest0) do i=sys_read(source,buf,4096); sys_write(d

21、est,buf,i); while(i); else printk(Error!); sys_close(source); sys_close(dest); set_fs(fs); return 1;(2)添加系统调用号，修改文件 /arch/x86/syscalls/syscall_64.tbl 351 common mycall sys_mycall(3) 添加声明到头文件，修改文件，/include/asm-generic/syscalls.h asmlinkage int sys_mycall(char* sourceFile,char* destFile)(4)重新编译内核，只用第一

22、步中的(8), (11)，重启即可。第三步：测试函数代码： int main(int argc, char * argv) syscall(351,argv1,argv2); return 0; 三、 掌握增加设备驱动程序的方法。通过模块方法，增加一个新的设备驱动程序，其功能可以简单（实现字符设备的驱动）。1任务分析：linxu系统中，在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能：1对设备初始化和释放.2把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据.3读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据.

23、4检测和处理设备出现的错误. Linux操作系统允许设备驱动程序作为可装载内核模块实现，这也就是说，设备的接口实现不仅可以在Linux 操作系统启动时进行注册，而且还可以在Linux 操作系统启动后装载模块时进行注册。总之，Linux操作系统支持多种设备。2设备驱动程序代码：#include linux/kernel.h#include linux/module.h#include linux/fs.h#include linux/init.h#include linux/types.h#include linux/errno.h#include linux/uaccess.h#include

24、 linux/kdev_t.h#include linux/string.h#define MAX_SIZE 20static int my_open(struct inode *inode, struct file *file);static int my_release(struct inode *inode, struct file *file);static ssize_t my_read(struct file *file, char _user *user, size_t t, loff_t *f);static ssize_t my_write(struct file *file

25、, const char _user *user, size_t t, loff_t *f); char messageMAX_SIZE = -congratulations-!;static int device_num = 0;/设备号static int counter = 0;/计数用static int mutex = 0;/互斥用static char* devName = mydevice;/设备名/added by wuyaoint mes_num=0;char tmp;/struct file_operations pStruct = open:my_open, releas

26、e:my_release, read:my_read, write:my_write, ;/* 注册模块 */int init_module() int ret; /* 函数中第一个参数是告诉系统，新注册的设备的主设备号由系统分配， * 第二个参数是新设备注册时的设备名字， * 第三个参数是指向file_operations的指针， * 当用设备号为0创建时，系统一个可以用的设备号创建模块 */ ret = register_chrdev(0, devName, &pStruct); if (ret 0) printk(regist failure!n); return -1; else pr

27、intk(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); printk(Us

28、e rmmode to remove the modulen); return 0; /* 注销模块，函数名很特殊 */void cleanup_module() unregister_chrdev(device_num, devName); printk(unregister it success!n);static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) if(mutex) return -EBUSY; mutex = 1;/上锁 printk(main device : %dn, MAJOR(inode-i_rdev); printk(slave device : %dn, MINOR(inode-i_rdev); printk(%d times to call the devicen, +counter); try_module_get(THIS_MODULE); return 0;/* 每次使用完后会release */static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) printk(Device released!n); module_put(THIS_MODULE); mutex = 0;/开锁