华中科技大学计算机学院操作系统课程设计报告[1]

1、计算机科学与技术学院 操作系统课程设计实验报告 U201014281华中科技大学嵌入式操作系统课程设计实验报告 院 系: 计算机科学与技术学院专 业: 班 级： 姓 名： 指导老师： 报告时间： 计算机科学与技术学院目 录1.课程设计目的32.课程设计环境搭建33.内容一：熟悉和理解Linux编程环境3.1 内容要求53.2 设计过程及实现54.内容二：掌握添加系统调用的方法4.1 内容要求94.2 设计过程及实现95.内容三：掌握添加设备驱动程序的方法5.1 内容要求 175.2 设计过程及实现 176.内容四：理解和分析/proc文件6.1 内容要求 226.2 设计过程及实现 221 课

2、程设计目的（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。2 课程设计环境搭建（1）windows 7上，利用虚拟机软件VMware软件搭建的linux平台：Ubuntu 11.10 （安装包：ubuntu-11.10-desktop-i386）内核：linux-headers-3.0.0-12-generic （2）更改root登录：在现阶段Ubuntu的系统中，是不允许直接以root身份登录系统的，但是在做课设的过程中，需要大量的使用root权限来进行命令的操作。如果以普通用户登录ubuntu，会连编辑一个文件都非常周折。为此

3、，我找到了一种修改系统文件，以达到直接使用root身份登录的方法：开始的时候，只能以普通用户登录，用Ctrl+Alt+T打开终端：初始化/修改root密码sudo passwd root用vi编辑器修改这个文件：sudo vi /etc/lightdm/lightdm.conf 在文件最后加入这么一行代码：greeter-show-manual-login=true然后保存退出，sudo reboot 重启系统。之后就可以输入root用户登录。（3）在添加系统调用中用到的其他内核包：下载和当前实验环境最为接近的系统版本（这点很重要）使用apt-get install linux-source-

4、3.0.0 命令，下载结果是linux-source-3.0.0.tar.bz2 解压命令：tar xjvf linux-source-3.0.0.tar.bz2 C /usr/src解压后，在/usr/src目录下得到内核文件夹linux-source-3.0.0（4）在调用linux图形库时需要安装GTK环境：安装gcc/g+/gdb/make 等基本编程工具apt-get install build-essential Tip：如果提示由于依赖项不能安装，需要使用apt的强化版aptitude，这个工具可以自动分析软件包依赖，系统一般不自带，需要先安装，具体过程是：apt-get ins

5、tall aptitudeaptitude install build-essentialaptitude这个工具很强大，对于解决软件包安装时的依赖问题很有帮助。安装 libgtk2.0-dev libglib2.0-dev 等开发相关的库文件：apt-get install gnome-core-devel 安装GTK核心组件： apt-get install libgtk2.0-dev这个安装完成后，GTK环境就基本搭建成功，网上有些教程说要安装其他配置文件，经我亲测，发现只要安装libgtk2.0-dev这个包就能搞定。3 内容一：熟悉和理解Linux编程环境3.1 内容要求（1）编写一

6、个C程序，实现文件拷贝功能（2）编写一个C程序，使用Linux下的图形库，分窗口显示三个并发进程运行；3.2 设计过程及实现（1）文件拷贝： 文件的拷贝主要的思想就是利用文件指针操作，在两个文件之间进行按字符的fget和fput。从而完成整个文件的拷贝操作。在这个基本功能之外，需要增加程序的健壮性，具体有以下几个方面：·源文件是否存在且能读取数据；·是否能创建目的文件，且能向里面写入数据；·程序需要的argc参数个数是否满足要求； 基于以上几点和内容要求，主要的程序段如下：if(argc!=3)/判断参数个数是否为3 ，否则返回printf("Error

7、 in argc!n");return 0;if( (fsource=fopen(argv1,"rb")=NULL )printf("Error in open source file!n");/判断源文件是否能打开和读出return 0;if( (ftarget=fopen(argv2,"wb")=NULL )printf("Error in open target file！n");/判断目的文件时候能创建和写入return 0;while(c=fgetc(fsource)!=EOF)fputc(c,

8、ftarget);/按字符读取和写入数据 执行结果如下：将source/source.txt文件拷贝到到target.txt,开始时如下图3-1所示：图3-1 复制开始前source/source.txt文件内容利用mycopy程序复制，查看target.txt文件复制结果如下图3-2所示：图3-2 复制后target.txt文件的具体内容（2）实现三个进程之间的并发程序：这里需要用到课程实验时的fork( )程序以及GTK的图形显示。 基本fork（）程序，调用显示一个父进程和两个子进程的结构如下： if(pid_1=fork()=0) printf("Child 1# is ru

9、nning.n");/第一个子进程 Child 1#show(argc,argv,"This is Child 1#");/调用函数显示窗口 else if(pid_2=fork()=0) printf("Child 2# is running.n");/第二个子进程 Child 2# show(argc,argv,"This is Child 2#");/调用函数显示窗口 else printf("Parent # is running.n");/父进程 Parent # /由于父进程需要显示全部子进程

10、PID，所以这里直接用参数画窗口 调用GTK显示窗体函数模块的结构：void show(int argc,char *argv ,char *title ) gtk_init (&argc, &argv); /初始化工具包并且获取命令行参数; window = gtk_window_new (GTK_WINDOW_TOPLEVEL); /创建新的窗口; /设定窗口的位置; gtk_window_set_position(GTK_WINDOW(window), GTK_WIN_POS_CENTER);/监听窗口的destroy事件;g_signal_connect (G_OBJE

11、CT (window), "destroy", G_CALLBACK (destroy_progress), NULL); gtk_window_set_title (GTK_WINDOW (window), title);/用来设定更改窗口标题; gtk_container_set_border_width (GTK_CONTAINER (window), 20);/设定宽度;/使用gtk_vbox_new函数建立纵向组装盒; /为了显示构件，必须将构件放入组装盒中,并将组装盒放在窗口内; vbox = gtk_vbox_new (FALSE, 10); gtk_cont

12、ainer_set_border_width (GTK_CONTAINER (vbox), 100);/设定宽度; gtk_container_add (GTK_CONTAINER (window), vbox); gtk_widget_show (vbox); /使用gtk_box_pack_start函数将构件放到组装盒中; sprintf (id_char, "%s ,My ID:%d", title,getpid ();/显示PID号 label = gtk_label_new (id_char); gtk_box_pack_start (GTK_BOX (vbox

13、), label, FALSE, FALSE, 10); gtk_widget_show (label); sprintf (id_char, "父进程ID:%d", getppid ();/显示PPID号 label = gtk_label_new (id_char); gtk_box_pack_start (GTK_BOX (vbox), label, FALSE, FALSE, 10); gtk_widget_show (label); button = gtk_button_new_with_label ("close");/关闭窗口按钮 /信号

14、登记函数,监听按钮的clicked事件。/当窗口clicked时， gtk_widget_destroy 就会被调用。 /而 gtk_widget_destroy 函数又调用 gtk_main_quit() 结束程序运行。 g_signal_connect_swapped (G_OBJECT (button), "clicked", G_CALLBACK (gtk_widget_destroy), window); gtk_box_pack_start (GTK_BOX (vbox), button, FALSE, FALSE, 10); GTK_WIDGET_SET_FL

15、AGS (button, GTK_CAN_DEFAULT); gtk_widget_grab_default (button); /函数显示窗口中的组件 gtk_widget_show (button); gtk_widget_show (window); /准备将窗口和所有的组件显示在屏幕上，函数必须在GTK程序的最后调用. gtk_main (); 编译代码forkgtk.c，运行；编译命令为：gcc -o forkgtk forkgtk.c pkg-config -cflags -libs gtk+-2.0程序运行结果如下图3-3所示：图3-3 三个并行显示窗口4.内容二：掌握添加系统调

16、用的方法4.1 内容要求（1）采用编译内核的方法，添加一个新的系统调用。（2）编写一个应用程序，测试新添加的系统调用。（3）系统调用的功能：文件拷贝。4.2 设计过程及实现在这一个部分，投入了比较多的时间。总结起来，主要有这么几个方面：·linux内核版本的不同，linux2.X和linux3.X直接添加系统调用和重新编译内核的方法有差异，甚至linux2.X之间，内核文件也有变化。·再加上相关资料的步骤和方法不尽相同，甚至还有互斥的步骤，这就使得这个推进比较漫长。我之前的Ubuntu版本是13.04，后来发现因为是64位的，行不通，只好换了一个低版本的Ubuntu11.1

17、0,经过自己的实际工作，下面是在运行成功之后，总结的一个过程。（环境和内核配置见本报告第二部分）（1）修改Makefile文件，修改系统版本后缀：如下图4-1所示：这里加的是本人的姓名的首字母，以示区分。图4-1 修改Makefile文件版本（2）修改/usr/src/ linux-source-3.0.0/kernel/目录下的sys.c文件，在最后加入新的系统调用，拷贝函数实现。如下所示：asmlinkage int sys_zcycopyfile(const char* s_file, const char* t_file) const int BUF_SIZE = 512; int f

18、in,fout; char bufBUF_SIZE; int copy_count; mm_segment_t fs; /段操作的初始化 fs = get_fs(); set_fs(get_ds();/* 系统调用打开源文件，若失败，返回-1 */ if (fin = sys_open(s_file,O_RDONLY,S_IRUSR) = -1) return -1; printk("Error in oen source file!"); /* 系统调用创建并打开目标文件，若失败，返回-2 */ if (fout = sys_open(t_file,O_RDWR | O_

19、CREAT | O_TRUNC,S_IRUSR | S_IWUSR) = -1) return -2; printk("Errod in open target file!"); while(copy_count=sys_read(fin,buf,BUF_SIZE) /* 拷贝文件，若失败，返回-3 */ if (copy_count = -1 | sys_write(fout,buf,copy_count) = -1) return -3; printk("Error in copy file!"); set_fs(fs); /* 段操作结束 */ r

20、eturn 0; （3）修改/usr/src/ linux-source-3.0.0/arch/x86/include/asm/文件夹下面头文件：unistd_32.h，在文件的系统调用号部分添加一个新的系统调用,具体添加行如下：#define _NR_sys_zcycopyfile347同时把下面的总调用号加1，变成348。具体截图如下图4-2所示。图4-2 添加系统调用号（4）修改/usr/src/ linux-source-3.0.0/x86/kernel/syscall_table_32.s，加入新的一行： .long sys_zcycopyfile/* 347 */具体实现如下图4-

21、3所示：图4-3 填写系统调用入口表 当用户程序需要系统提供服务的时候，比如347号调用sys_zcycopyfile,就会通过系统调用产生一个int 0x80的软中断，就会进入到系统调用的入口函数，找到这个调用函数表查找入口函数，也就是这里的.long sys_zcycopyfile，进而在sys.c中找到具体的函数实现asmlinkage int sys_zcycopyfile(const char* s_file, const char* t_file) ，从而实现系统调用。（5）配置内核：（先cd到下载的新的内核包）净化解压后的源代码make mrproper安装ncurses环境：

22、apt-get install libncurses5-devncurses是一个能提供基于文本终端窗口功能的动态库, 提供字符终端处理库，包括面板和菜单。对内核选项进行配置make menuconfig执行命令之后，会弹出一个框，提示对内核裁剪或配置。这次用不到变化内核模块，直接用键盘方向键选<EXIT>项就行了。建立模块间的依赖信息make dep这一步正常情况会提示用户多此一举删除配置时留下的一些不用的文件make clean这一步一般没动作，除非是失败后再次编译内核时要用到。（6）编译内核：编译内核文件bzImage:make bzImage j9这一步耗费的时间比较长，所

23、以加了一个 -j9，这种方法使用多线程编程，实际使用时发现能很大的提高效率。(这个视CPU而定，要看CPU最多支持几个线程)编译内核模块：make modules j9 （7）安装内核经过最麻烦的编译内核，接下来的安装内核就显得容易多了，输入命令sudo make modules_install 安装内核模块sudo make install 安装内核同样，如果嫌时间太慢的话，同样可以在最后加上 j9 （8）环境修改：接下来主要是将编译安装生成的操作系统让系统引导程序“知道”，具体过程如下图4-4所示：图4-4 环境修改具体如下：复制内核到boot目录：cp arch/i386/boot/bz

24、Image /boot/vmlinuz-3.0.69.zcy 可利用Tab快速补全路径和文件，这样方便又不容易出错。建立要载入ramdisk的映像文件mkinitramfs 3.0.69.zcy -o /boot/initrd.img-3.0.69-zcy更新启动项文件grub2.conf，直接输入命令update-grub2就行。（9）最后需要修改/boot/grub/ 目录下 grub.cfg文件；进入文件之后，按 Ctrl+F 查找 timeout ，将所有的timeout数值改为100；这个数值的单位是秒，这么做的目的是修改启动项的暂停时间，以便让用户有足够的时间选择要进入的操作系统。

25、（10）重启，进入新系统：启动项如下图4-5所示：图4-5 系统启动项原版本内核比新内核小，入口在Previous Linux version 目录下，如下图4-6所示：以上做的工作相当于在添加新的系统调用的同时还更新了系统。图4-6 旧的系统入口显示（11）进入新系统之后，输入命令uname a / -r查看系统新版本：执行情况如下图4-7所示。可知已经成功的进入到修改后的新内核3.0.69.zcy图4-7 显示新内核信息（12）编写测试程序zcopy.c，如下图4-8所示：图4-8 测试程序，检测新的第347号系统调用（13）编译运行，生成执行文件。然后看执行程序是否可以实现文件的拷贝，执

26、行结果如下图4-9和图4-10所示，可看到已经成功的实现了预计的功能。图4-9 执行程序图4-10 程序执行显示结果5.内容三：掌握添加设备驱动程序的方法5.1 内容要求（1）采用模块方法，添加一个新的设备驱动程序。（2）要求添加字符设备的驱动。（3）编写一个应用程序，测试添加的驱动程序5.2 设计过程及实现 （1）Linux内核中的设备驱动程序是一组常驻内存的具有特权的共享库，是低级硬件处理例程。对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。 Linux支持3种设备

27、：字符设备、块设备和网络设备。设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释,一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉及到的那个设备。 一个典型的驱动程序,大体上可以分为这么几个部分: 注册设备：在系统初启,或者模块加载时候,必须将设备登记到相应的设备数组,并返回设备的主设备号； 定义功能函数：对于每一个驱动函数来说，都有一些和此设备密切相关的功能函数。以最常用的块设备或者字符设备来说，都存在着诸如 open()、read()这一类的操作。当系统调用这些调用时，将自动的使用驱

28、动函数中特定的模块。来实现具体的操作；卸载设备：在不用这个设备时,可以将它卸载，主要是从/proc 中取消这个设备的特殊文件。 （2）编写Makefile文件如下：ifneq ($(KERNELRELEASE),) obj-m := zcydriver.o /obj-m表示编译连接后将生成zcydriver.o模块elsePWD :=$(shell pwd)/PWD为当前目录KVER :=$(shell uname -r)/KVER为当前系统内核版本KDIR :=/lib/modules/$(KVER)/buildall:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD)/调用内核模块编译

29、clean:#rm -f *.cmd *.o *.mod *.korm -rf .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions#$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) cleanendif调用Makefile文件之后，其具体过程如下：KERNELRELEASE是在内核源码的顶层Makefile中定义的一个变量，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义，所以make将读取执行else之后的内容；如果make的目标是clean，直接执行clean操作，然后结束。当make的目标为all时，-C $(KDIR)指明跳转到内

30、核源码目录下读取那里的Makefile；M=$(PWD) 表明然后返回到当前目录继续读入、执行当前的Makefile。当从内核源码目录返回时，KERNELRELEASE已被定义，内核的build程序Kbuild也被启动去解析kbuild语法的语句，make将继续读取else之前的内容。else之前的内容为kbuild语法的语句，指明模块源码中各文件的依赖关系，以及要生成的目标模块名。（3）编写设备功能函数：（zcydriver.c）函数框架如下所示：#define MY_MAJOR 240/定义设备号int zcydriver_open(struct inode *inode, struct

31、file *filp)/打开设备ssize_t zcydriver_read(struct file *filp, char _user *buf, size_t count, loff_t *f_pos )/读数据sprintf(s2,"%s",s1);if(count<12) if(!copy_to_user(buf,s2,count)return 0;elseif(!copy_to_user(buf,s2,strlen(s2)return 0;return -1;ssize_t zcydriver_write(struct file *filp, char _u

32、ser *buf, size_t count, loff_t *f_pos)/写数据 if (count < 0)return -EINVAL; if (s1 = NULL)return -ENOMEM; if (copy_from_user(s1, buf, count+1)return -EFAULT; return count;int zcydriver_release(struct inode *inode, struct file *filp)/释放设备struct file_operations zcydriver_fops = / .owner = THIS_MODULE,

33、 .open = zcydriver_open, .read = zcydriver_read, .write = zcydriver_write, .release = zcydriver_release,;static int zcydriver_init(void)/设备初始化 rc = register_chrdev(MY_MAJOR, "zcydriver", &zcydriver_fops);/注册if(rc < 0) printk(".register %s dev errorn", "zcydriver"

34、); /失败返回错误 return -1; printk(".register zcydriver dev OKn");/成功注册设备 return 0;static void zcydriver_exit(void) unregister_chrdev(MY_MAJOR, "zcydriver");/注销设备 printk(".Good Bye!n");MODULE_LICENSE("GPL");module_init(zcydriver_init);module_exit(zcydriver_exit);（4）

35、设备加载，安装过程如下：进入Makefile文件和zcydriver.c文件所在目录，清除make产生的残留文件。命令为：make clean 删除先前可能加载过的模块，命令为：rmmod /dev/zcydriver卸载设备：rm /dev/zcydriver编译设备文件，产生模块文件make加载模块insmod zcydriver.ko加载设备，分配设别号mknod /dev/zcydriver c 240 0更改用户对设备的操作权限为可读、可写chmod 666 /dev/zcydriver（5）运行测试程序，检验设备是否可读写：检测程序见报告附录的源代码，测试过程如下图5-1所示：图5

36、-1 设备测试结果6.内容四：理解和分析/proc文件6.1 内容要求（1）了解/proc文件的特点和使用方法。（2）监控系统状态，显示系统中若干部件的使用情况。（3）用图形界面显示系统监控状态。6.2 设计过程及实现（1）/proc 文件特点： Linux的proc文件系统是进程文件系统和内核文件系统的组成的复合体，是将内核数据对象化为文件形式进行存取的一种内存文件系统，是监控内核的一种用户接口。它拥有一些特殊的文件（纯文本），从中可以获取系统状态信息。 /proc/cpuinfo保存CPU信息，包括名称、型号、数目、主频、Cache等； /proc/version保存操作系统信息，包括系统

37、版本、内核型号、GCC版本等； /proc/stat保存CPU活动信息数据，用来测算CPU使用率； /proc/meminfo保存内存空间和交换空间实时大小，可用来计算内存和交换分区使用率，MemTotal表示内存空间总大小，MemFree表示内存剩余空间大小，SwapTotal表示交换分区总大小，SwapFree表示交换分区剩余空间大小。据此可以算出内存和交换分区的使用率。（2）设计实现系统监控器ManagerCat 结构如下图6-1所示：图6-1 监控器结构 系统信息页运行效果如下图6-2所示：图6-2 系统信息页效果 核心代码结构如下： vbox = gtk_vbox_new(FALSE

38、,0);/新建容器 frame = gtk_frame_new (bufferf1);/新建标签页 label = gtk_label_new (bufferf1);/新建文本框，其余两个类似 gtk_container_add (GTK_CONTAINER (frame), label);/之后填入相应的值gtk_notebook_append_page (GTK_NOTEBOOK (notebook), vbox, label); 进程信息页：运行效果如下图6-3所示：图6-3 系统信息页效果 核心代码结构如下： sprintf(bufferl, "进程信息"); hb

39、ox=gtk_hbox_new(FALSE, 5); scrolled_window = gtk_scrolled_window_new (NULL, NULL);/滚屏 gtk_widget_set_size_request (scrolled_window, 300, 300); clist=gtk_clist_new(5);/5 lists get_proc_info(clist,&p,&q,&r,&s);/得到进程信息 gtk_signal_connect(GTK_OBJECT(clist),"select_row",GTK_SIGN

40、AL_FUNC(select_row_callback),NULL);/回调函数，响应行选择 gtk_scrolled_window_add_with_viewport (GTK_SCROLLED_WINDOW (scrolled_window),clist); /滚屏 vbox=gtk_vbox_new(FALSE, 5); frame = gtk_frame_new (bufferl); gtk_widget_set_size_request (frame, 100, 215); label = gtk_label_new (bufferf1); gtk_container_add (GT

41、K_CONTAINER (frame), label); gtk_box_pack_start(GTK_BOX(vbox), frame, FALSE, FALSE, 10); button1 = gtk_button_new_with_label("结束进程"); g_signal_connect (G_OBJECT (button1), "clicked",G_CALLBACK (kill_proc), "结束进程");/杀死进程回调函数 gtk_box_pack_start(GTK_BOX(vbox), button1, FAL

42、SE, FALSE, 10); button2 = gtk_button_new_with_label("刷新"); g_signal_connect_swapped (G_OBJECT (button2), "clicked",G_CALLBACK (refresh), clist); /按钮回调，刷新屏幕 gtk_box_pack_start(GTK_BOX(vbox), button2, FALSE, FALSE, 10); gtk_widget_show_all(hbox);gtk_notebook_append_page (GTK_NOTEBO

43、OK (notebook), hbox, label); 模块信息页：运行效果如下图6-4所示：图6-4 模块信息页效果 核心代码结构如下： sprintf(bufferl, "模块信息"); vbox = gtk_vbox_new(FALSE,0); scrolled_window = gtk_scrolled_window_new (NULL, NULL); gtk_widget_set_size_request (scrolled_window, 500, 250); gtk_scrolled_window_set_policy (GTK_SCROLLED_WINDO

44、W (scrolled_window),GTK_POLICY_AUTOMATIC,GTK_POLICY_AUTOMATIC); clist2=gtk_clist_new(3);/滚屏和列 get_module_info(clist2); gtk_signal_connect(GTK_OBJECT(clist2),"select_row",GTK_SIGNAL_FUNC(select_row_callback2),NULL);gtk_scrolled_window_add_with_viewport (GTK_SCROLLED_WINDOW (scrolled_window)

45、,clist2); gtk_box_pack_start(GTK_BOX(vbox), scrolled_window, TRUE, TRUE, 5);hbox=gtk_hbox_new(FALSE, 0);button3 = gtk_button_new_with_label("刷新");/刷新按钮g_signal_connect_swapped (G_OBJECT (button3), "clicked",G_CALLBACK (refresh2), clist2)；gtk_widget_show_all(vbox);label = gtk_label_new (bufferl);gtk_notebook_append_page (GTK_NOTEBOOK (notebook), vbox, label); 内存信息页：运行效果如下图6-5所示：图6-5 内存信息页效果核心代码结构如下： capability = gtk_vbox_new(FALSE,0); /内存资源 gtk_container_set_border_width(GTK_CONTAINER(capability),5); gtk_widget_set_size_request(capability,20