操作系统课程设计报告.doc

操作系统程序设计操作系统程序设计 院 系： 计算机科学技术学院软件工程系 班 级： 软件 08 1 班 姓 名： x x x 学 号： x 号 指导教师： x x x 2010 年 6 月 26 日 操作系操作系统统模模拟实现拟实现 操作系统程序设计任务书操作系统程序设计任务书 一、题目：一、题目：操作系统模拟实现 二、设计要求二、设计要求 (1)独立完成 (2)良好的交流、沟通能力 (3)充分运用前序课所学的软件工程、程序设计等相关知识 (4)充分运用调试和排错技术 (5)简单测试驱动模块和桩模块的编写 (6)查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。 （7）按要求写出课程设计报告，并于设计结束后 1 周内提交。其主要内容 包括：封皮、课程设计任务书，指导教师评语与成绩、目录、概述、软件需求 分析、总体设计、详细设计、程序的调试与测试、总结与体会、结束语、程序 清单（带中文注释） 、参考文献等。 三、三、设计内容及步骤设计内容及步骤 1.根据设计题目的要求，充分地分析和理解问题，明确问题要求做什么。 具体要求至少实现进程管理模拟、存储器管理模拟、文件管理模拟，并将几个 模块较好地集成一个整体，给出一个较好的用户界面。 2.根据实现的功能，划分出合理的模块，明确模块间的关系。 3.编程实现所设计的模块。 4.程序调试与测试。 5.结果分析。程序运行结果包括正确的输入及其输出结果和含有错误的输 入及其输出结果。 6.编写课程设计报告； 四、课程设计工作计划四、课程设计工作计划 2010 年 6 月 12 日前，指导教师讲课，学生根据题目准备资料，需求分析； 2010 年 6 月 13 日，提交软件总体模块结构图和分工方案； 2010 年 6 月 13 日2009 年 6 月 16 日，完成程序模块并通过独立编译； 2010 年 6 月 17 日2010 年 6 月 20 日，将各模块集成为一个完整的系统， 并录入足够的数据进行调试运行，数据必须存储到磁盘文件中，已备验收； 2010 年 6 月 22 日，验收、开始撰写课程设计报告； 2010 年 6 月 24 日前，提交课程设计报告，并将软件的源文件及报告的 word 文档打印交到老师办公室里。 指导教师签章： 教研室主任签章 操作系统导教师评语与成绩 指导教师评语： 课程设计表现成绩： 课程设计验收成绩： 课程设计报告成绩： 课程设计 总成绩： 指导教师签章 2010 年 7 月 日 i 目目 录录 目目 录录i 一、需求分析一、需求分析 1 1.1 功能需求1 1.2 背景描述1 1.3 具体设计内容分析1 二、总体概要设计二、总体概要设计 3 2.1 系统的特点3 2.2 抽象数据整合3 2.3 系统模块图5 三、详细设计三、详细设计 6 3.1 基本操作6 3.2 进程调度之时间片轮转详细设计7 3.3 模拟文件-改变目录流程10 四、程序的调试与测试四、程序的调试与测试 13 4.1 调试分析13 4.2 测试结果14 五、用户使用说明五、用户使用说明 19 六、总结与体会六、总结与体会 20 参考文献参考文献 21 附录附录:程序清单程序清单22 1 一、一、需求分析需求分析 1.1 功能需求 操作系统原理课程设计是软件工程专业实践性环节之一，是学习完 操作系统原理课程后进行的一次较全面的综合练习。其目的在于加深对操 作系统的理论、方法和基础知识的理解，掌握操作系统结构、实现机理和各种 典型算法，进程调度、内存管理、文件管理、等各种调度管理算法模拟，系统 地了解操作系统的设计和实现思路，培养学生的系统设计能力，并了解操作系 统的发展动向和趋势。 1.2 背景描述 经过一个学期的操作系统原理 、 操作系统实验教程课程的学习，我 们学到了很多理论上的知识，对操作系统及其各方面的功能有了深刻的认识， 但这是远远不够的，我们要讲理论编程实践，虽然我们学习期间做过很多的实 验，但是都是针对操作系统的某一块具体的功能的，我们对了解了每块具体的 功能的实现，但是，整体说来还是模糊，所以，很有必要将各个模块整合起来， 也就是模拟一个操作系统，这样，不仅跟深入学习了各个模块，更认识了一个 完整的 os，对我们来说受益匪。 1.3 具体设计内容分析 本次课程设计所用环境：vc+6.0，采用控制台界面至少实现进程管理模 拟、存储器管理模拟、文件管理模拟，并将几个模块较好地集成一个整体，实 现各个管理调度算法的功能，并给出一个较好的用户界面。 进程管理模拟:在多道程序运行环境下，进程数目一般多于处理机数目，是 的进程要通过竞争来使用处理机。这就要求系统能按某种属案发，动态的把处 理机分配给就绪队列中的一个进程，使之运行。进程调度包括常用的：先来先 服务、时间片轮转、优先权等因为以前已经实现，所以这次 模拟整合到一起不 算很难。 存储器管理模拟：主存是中央处理器直接存取指令和数据的存储器，能否 合理的利用主存，在很大程度上将影响到整个计算机系统的性能。在多道作业 和多进程环境下，共享主存空间。当作业执行完毕或进程运行结束后将主存空 2 间归还系统。这次模拟包括：贮存分配与回收、基于分页的内存调度算法。有 于模拟的比较简单，仅实现了最先适应算法、和先来先服务、最近你最久未使 用的调度算法，实现比较简单。 文件管理模拟：用于用户界面和操作命令在操作系统中的作用，实现操作 系统中对文件的管理。文件中建立一个双向链表，每个聊表节点又是单链表的 头结点，对目录、文件操作比较简单。 3 二、总体概要设计二、总体概要设计 2.1 系统的特点 本次可设主要是简单的模拟一个操作系统，包括一个主界面，实现了银行 家算法、模拟文件管理、主存空间的分配与回收、进程调度等功能。模拟了操 作系统的进程管理、文件管理、存储器管理。银行家算法，包括了新加作业、 申请资源、撤销作业、查看资源情况四个模块。如果申请资源后系统进入不安 全状态，则申请失败。进程调度实现了调度进程的三个主要算法优先数、 先来先服务、时间片轮转法。其中，优先数算法中优先数的确定为（50-进程的 服务时间） ，每轮一次优先数-3。时间片轮转法的时间片由用户自己输入。存储 器管理实现了申请空间、撤销作业、显示空闲表等功能。如果空闲空间不足则 申请失败。模拟文件管理很全面，包含了创建目录、删除目录、改变目录、创 建文件、删除文件、显示目录的功能。另外，我还加了回到根目录的功能。 2.2 抽象数据整合 银行家算法： const int max_p=20; / 进程的最大容量 const int maxa=10; / a 类资源的最大数量 const int maxb=5; /b 类资源的最大数量 const int maxc=7; /c 类资源的最大数量 typedef struct anode int a,b,c,/*三种资源总数*/remain_a,remain_b,remain_c/*三种资源剩余数*/; bank; typedef struct node1 char name20; int a,b,c,need_a,need_b,need_c; process; / 进程的结构体结点 模拟文件管： 4 typedef struct bnode char name50; int type;/*0 代表目录，1 代表普通文件*/ struct bnode *next,/* 兄弟节点*/*sub,/*第一个子节点*/*father/*父节点*/; int size; /*文件的大小*/ dirnode; dirnode *workdir;/当前工作目录 dirnode root;/根目录 char path100;/定义路径信息 const int maxjob = 100;/定义最大记录数 存储器管理： 首先需要建立空闲区数据文件，空闲区数据文件包括若干行，每行有两个 字段：起始地址，内存块大小（均为整数） ，各自段一逗号隔开。空闲区数据文 件： 0，10 10，08 18，10 28，06 34，10 44，09 空闲表的结构： typedef struct cnode int start; int length; char tag20; job; job freesmaxjob;/定义空闲区表 int free_quantity; job occupysmaxjob; int occupy_quantity; 进程调度： 进程存在的标识是进程控制块（pcb） ，进程控制块结构如下： typedef struct dnode char name10; 5 int prio; int round; int cputime; int needtime; int count; char state; struct dnode *next; pcb; / 进程的 pcb pcb *finish,*ready,*run,*r; 2.3 系统模块图 图 1 系统模块图 进程调度 存储器管理 模拟文件管理 主界面 新加作业 银行家算法 申请资源 撤销资源 申请资源 优先数调度 时间片轮转 先来先服务 申请空间 撤销作业 显示空闲表 改变目录 创建目录 创建文件 删除文件 显示目录 申请资源申请资源申请资源 6 三、详细设计三、详细设计 3.1 基本操作 1）银行家算法：银行家算法主要由 5 个函数实现了四大功能，即新加作业、 为作业申请资源、撤销作业、查看资源情况。 void yinitial() /初始化函数 void add() / 新加作业函数 void bid() /为作业申请资源 void yfinished()/撤销作业 void yview()/查看资源情况 2）模拟文件管理:模拟文件管理实现了很多功能，当然也有很多函数，每 一个文件和目录都是用一个节点来描述的，用 type 来控制，有两个值，0 和 1，0 代表目录，1 代表普通文件 void minitial() /初始化目录函数 dirnode * init() /初始化新节点的函数 void cd(char dirname) /改变目录 void create(char filename,int filesize) /创建文件 void del(char filename)/删除文件 void dir(dirnode *p) /现实所有目录，本目录下所有兄弟目录和文件 void dirs(dirnode *p,char str)/显示由目录下子目录中的文件和目录 void lsall()/显示所有目录 void md(char dirname)/创建目录 void rd(char dirname)/删除目录 3）存储器管理： void initial()/初始化函数 int readdata()/读数据函数 void sort()/将空闲块按照从小到大的顺序排序 void zview()/显示函数 void earlist()/最先适应分配算法 void zfinished()/撤销作业 4）进程调度： void firstin()/调度进程使之运行 void prt1(char a)/* void prt2(char a ,pcb *q) 7 void prt(char algo)*/ 上面的三本分主要是显示出来进程的调度情况 void insert1(pcb *q)/插入新的进程 void creat1(char alg)/* void creat2(char alg)*/ 以上两个实现进程的创建 void priority(char alg)/优先数算法的实现 void roundrun(char alg)/时间片轮转法的实现 void fcfsrun(char alg)/先来先服务算法的实现 void xianshi()/显示主界面的函数 void yinhangjia()/主函数掉该函数实现银行家算法 void wenjianguanli()/主函数调度该函数实现文件管理 void zhucunkongjian()/主函数调度该函数实现存储器管理 void jinchengdiaodu()/主函数调度该函数实现进程调度 3.2 进程调度之时间片轮转详细设计 进程调度中对于先来先服务调度原理简单、实现也很简单、对于优先数调 度来讲，每次调度的就是优先权最高的，所以每次只要找到优先权最高的就能 实现，用到 2 个单链表：一个等待服务、一个连接完成。在这里就不多说了。 对于时间片轮转，可以设定时间片大小、中途不能改变，我就建立一个循 环链表来存放等待进程，一个单链表来连接完成的进程。这个实现的时候，费 了不少劲儿，但最终能没有 bug 的显示出来。这个调度有一个缺陷：要求进程 必须是同时到达，由于时间仓促，我就没设计这个内容。如果涉及的话，我感 觉能整出来无非是多加个标记，标签来判断进程的到达及服务。 忘了说了，对于时间片算法，进程我是按顺序进行插入的。 主要核心代码： void creat2(char alg) pcb *p; int i,time,round; char na10; ready = null; finish = null; run = null; printf(“请输入时间片：“); scanf(“%d“, printf(“输入进程号和运行时间:n“); 8 for(i = 1; i name,na); p-cputime = 0; p-needtime = time; p-state = w; p-count = 0; p-round = round; p-next = null; if(i = 1)/*按顺序插入到 ready 链表中*/ r = ready = p; else r-next = p; r = p; /clrscr(); printf(“ 时间片轮转算法输出信息:n“); printf(“*n“); prt(alg); void roundrun(char alg) bool flag;/当 ready 列里只有一个时做标记 while(n) flag = 1;/初始化为 1 run = ready;/run 每次运行 ready 的队头 run-count+;/没运行一次计数器加 1 if(run-needtime round)/当剩余时间小于时间片轮转时间时的情 况 run-cputime += run-needtime; run-needtime = 0; else run-cputime += run-round; 9 run-needtime -= run-round; run-state = w;/变为等待 if(ready-next != null) ready = ready-next; else flag = 0;/当 ready 剩一个时做标记 if(run-needtime = 0)/当 run 结束时放入 finish 队列里 run-next = finish; finish = run; run-state = f; n-;/进程数少 1 else if(flag)/执行完如果不是剩一个的话，就把 run 放到队尾 r-next = run; r = run; r-next = null; if(n)ready-state = r;/结束时不应该有r“ else ready = null;/结束时应该为空 prt(alg);/输出 截图显示：图 a、b、c。 图 a 时间片轮转算法界面 10 图 b 时间片轮转算法开始 图 c 时间片轮转运行结束 3.3 模拟文件-改变目录流程 由于模拟文件管理采用双向链表，可以来回搜索。进入子目录后还可以回 到根目录，所以就在程序加了返回到上一级目录的功能，就是在 cd()函数里加 个条件，控制回到子目录还是上级目录。 主要代码： void cd(char dirname) dirnode *p; int flag=0; if(strcmp(dirname,“) p=workdir-sub; if(p=null) coutname ,dirname) flag=1; break; p=p-next; if(flag=1) workdir=p; strcat(path,“); strcat(path,p-name); coutfather; for(int i = strlen(path)-1; i = 0; i-) if(pathi =) pathi = 0;break; coutnext 进入子目录子目录不存在 已是根目录 结束 n y y nn y 图 2 改变目录流程 13 四、程序的调试与测试四、程序的调试与测试 4.1 调试分析 （1）在试验过程中遇到了很多错误，最开始的时候，在将各个模块连接起来的 时候几个函数的名字一样，出现了错误，如图： 图 3 错误显示 后来将函数的名字都改变了一下。 （2）在主函数中将各个模块的主函数连起来的时候，退出来的时候整个程序就 结束了，而我是想推出来的时候是退回到主界面，后来又给改了一下，加了一 个 while 循环，还有变量 flag，有 flag 来控制，当 flag=0 的时候就跳出 while 循 环，然后清屏，掉一个编好的显示函数，显示主界面，这样就退回了主界面， 后来又发现主函数有很多东西，很乱，我又将每个模块的主函数部分又分出去 一个函数，这样主函数掉每个模块的原来的主函数部分就好了。 （3）在内存调度算法中由于 windows 里面没有 getpid()函数不了解 rand()就用 结果造成却也计算率也来小。如图： 图 4 内存调度算法 fifo 中无 getpid()错误 14 4.2 测试结果 可设主界面：如图 图 5 设计主界面 银行家算法： 图 6 银行界算法主界面 新加作业： 图 7 添加作业 查看资源情况： 15 图 8 资源使用情况 为作业申请资源： 图 9 申请资源 撤销作业： 图 10 撤销作业 模拟文件管理：如图 创建目录： 图 11 模拟文件管理界面 改变目录： 16 图 12 改变目录 回到上一级目录： 图 13 返回上一级目录 显示目录： 图 14 显示所有目录 存储器管理模拟：如图 显示空闲表： 17 图 15 显示空闲区分配表 申请空间： 图 16 申请空间 进程调度模拟： 优先数算法： 图 17 优先数算法 时间片轮转法： 18 图 18 时间片轮转法 先来先服务算法： 图 19 先来先服务算法 19 五、用户使用说明五、用户使用说明 这次的课程设计实验主要是模拟一个操作系统的各个功能算法，重点在于 算法的描述，应用。当运行的时候会出现一个主界面，上面列出了该系统主要 实现的功能，可以根据提示选择 1.、进程调度 2、贮存空间分配与回收 3、模拟 文件管理 4、内存调度算法 5、银行家算法 6、 退出系统。选择完后就进入该 模块，如果选择的是 1 即银行家算法，进去后界面也会有提示，1、新加作业， 2,、为作业申请资源 3、撤销作业 4、查看资源情况、0 退出系统，选择你想要 操作的。会提示你相应的操作。如果选择的是 2 即模拟文件管理，进入后也有 界面给予提示，但是这个模块有先后顺序，即应该先创建目录，之后在进行其 他操作，我还加入了一个额外的功能，如果输入 cd 就会回到上一级目录里。 如果选择的是 3，即存储器管理，这个模块首先要在改程序在同一目录下建立 一个空闲表，进入该模块后首先要输入改空闲表，例如，input.txt，如果该空闲 表存在的话就会继续往下进行，根据提示做想要实现的操作。如果选择的是 4，即进程调度，进入后可以选择 p、优先数算法，r、时间片轮转法 f、先来 先服务算法、e 退出时间片轮转法的时间片由用户来定。这些模块中的退出都 是退到主界面的，要想退出本系统，在主界面里有一个退出。 20 六、总结与体会六、总结与体会 这次课程设计对我来说获益很大、体会很深，通过这次课程设计将所学的 操作系统课程的知识用于实践，对所学的知识有了系统的了解、更深刻。在将 各个模块连起来过正中首先要对各个模块都深入了解，不仅复习了所学的，以 前不明白的现在明白了好多，而且对“操作系统”不再陌生，但是“操作系统 “所要做的绝不是这么少的，所学的这些是远远不够的，希望还能有更深的了 解。 这次课程设计让我我熟练的练习了 vc+6.0 环境，更让那个我了解和运用 了 linux 操作系统，了解了 os 内核结构，核心操作，以及最基本的 os 管理。 对以后学习有很大帮助。 这次课程设计给我了很大的启示：无论学什么都要一步一个脚印，不能前 面开始学很有劲头，后面就松懈了，要持之以恒。感谢老师耐心的教导，您认 真的态度对我们很有帮助、很亲切，但对我来说是提升自身，我想我的 it 之路 还没走完，会有更深入的学习。再次感谢老师！ 21 22 参考文献参考文献 1 李登实，徐宏云，计算机操作系统实验，北京，清华大学出版社， 2000 年 9 月。 2汤小丹，梁红兵，计算机操作系统，西安，西安电子科技大学出版社， 2007 年 5 月。 23 附录附录:程序清单程序清单 源码附录： #include #include #include using namespace std; #include #include #include const int max_p=20; const int maxa=10; const int maxb=5; const int maxc=7; typedef struct anode int a,b,c,/*三种资源总数*/remain_a,remain_b,remain_c/*三种资源剩余数*/; bank; typedef struct node1 char name20; int a,b,c,need_a,need_b,need_c; process; bank banker; process processesmax_p; int quantity;/作业的数量 typedef struct bnode char name50; int type;/*0 代表目录，1 代表普通文件*/ struct bnode *next,/* 兄弟节点*/*sub,/*第一个子节点*/*father/*父节点*/; int size; /*文件的大小*/ dirnode; dirnode *workdir;/当前工作目录 dirnode root;/根目录 char path100;/定义路径信息 24 const int maxjob = 100;/定义最大记录数 typedef struct cnode int start; int length; char tag20; job; job freesmaxjob;/定义空闲区表 int free_quantity; job occupysmaxjob; int occupy_quantity; typedef struct dnode char name10; int prio; int round; int cputime; int needtime; int count; char state; struct dnode *next; pcb; pcb *finish,*ready,*run,*r; int n; /银行家算法 /初始化函数 void yinitial() int i; banker.a=maxa; banker.b=maxb; banker.c=maxc; banker.remain_a=maxa; banker.remain_b=maxb; banker.remain_c=maxc; for(i=0;iname; for(i=0;ineed_a; coutneed_c; t=1; if(need_abanker.remain_a ) 26 coutname;/输入 27 p=-1; for(i=0;ia; coutc; flag=1; if(abanker.remain_a)|(aprocessesp.need_a-processesp.a) coutprocessesp.need_b-processesp.b) coutprocessesp.need_c-processesp.c) coutname; p=-1; for(i=0;iname ,dirname) flag=1;