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华中科技大学 操作系统课程设计.docx

发布时间：2022-06-07 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.26M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    A.步骤1：下载源代码
    B.步骤2：修改相应内核文件
    C.步骤3：开始对新的内核进行编译
    （3）对新加的系统调用进行测试
    实验原理
    实验过程
    A.写设备驱动源代码：
    B.编译
    C.挂载内核中模块
    D.创建新的虚拟设备文件
    E.测试新的设备驱动
    F.卸载操作
    操作系统课程设计实验报告 院系：计算机科学与技术 专业：计算机科学与技术 班级： 姓名： 学号： 2012 年 03 月 10 日 1 / 42
    一、 课程设计任务 1.1 课设目的  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。  通过 OS 子系统的设计、增强 OS 设计的技巧，达到提高解决实际 OS 的设 计能力的提高。 1.2 设计内容 （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。  编一个 C 程序，其内容为实现文件拷贝的功能；  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。 （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。 实现的功能是：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） a) 了解/proc 文件的特点和使用方法 b) 监控系统状态，显示系统中若干部件使用情况 c) 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（建立子目录）、改变当前目录、列出文件目录、退 出 二、 实验环境 2.1 Linux 系统版本 可用版本 5.0 10.04  Fedora  ubuntu 内核版本 linux-2.6.x 尽量使用 2.6.32 以前的内核版本 6.0 … 11.10 本实验操作系统为：ubuntu 10.04 内核版本号：Linux 3.0.24 2 / 42
    三、 实验内容 3.1 Linux 下的 C 编程 ①实验原理 先在父进程中利用 fork( )函数创建一个子进程，再在子进程中创建一个子 进程，然后在各个进程的运行过程中分别生成一个窗口，同时在相应的进程窗口 中显示该进程的 ID。生成窗口时可使用图形库 GTK 2.0，在每个窗口中加入几个 构件（button，progress bars，label 等），并将每个构件所产生的动作与相应 的信号处理函数相连接。 Linux 环境中，创建进程只需调用 fork( )函数即可。进程调用 fork 后，系 统会创建一个子进程，此子进程与父进程唯一不同的地方在于其进程 ID 与父进 程 ID：对于父进程，fork 返回子进程的 ID，对于子进程则返回 0，系统就是通 过此返回值的不同来区分父子进程的。若 fork 调用失败，则返回-1。 GTK（GIMP Toolkit）是一个图形用户编程接口工具，本次实验将会用到的 主要内容是控件、消息处理器和回调函数。利用控件可以实现一些图形的显示， 比如显示窗口等等。消息处理器等待事件的发生（关闭窗口、点击按钮等），并 捕获该信号，告诉 GTK 程序应该调用哪个回调函数进行相应的处理，并在终端中 显示结果。详细内容请参见《GTK 2.0 教程》（可从网上下载）。 ②实验过程 编译 GTK 程序与编译普通的 C 程序需要用到不同的命令。比如程序名为 --libs threeproc ， 则 编 译 命 令 为 ： gcc `pkg-config － － cflags gtk+-2.0`threeproc.c －o threeproc ， 注意 ，在不同的系统下，编译命令的参数顺序可能略有不同，如： gcc 1_2.c -o 1_2`pkg-config --cflags --libs gtk+-2.0` 在某次实验的时候，就不能通过编译，提示 1_2.c:1:21: 错误：gtk/gtk.h： 没有那个文件或目录 但更换一下参数顺序就可以了： gcc `pkg-config --cflags --libs gtk+-2.0`1_2.c -o 1_2 该部分的运行结果如下： 3 / 42
    threeproc.c 内容为： #include #include #include #include #include #include #include void main(int argc,char argv[]){ pid_t p1,p2; pid_t t1,t2; int status; if((p1=fork())==0){ execv("./proc",argv); } else if((p2=fork())==0){ execv("./clock",argv); } else{ execv("./helloworld",argv); t1=waitpid(p1,&status,0); t2=waitpid(p2,&status,0); } } 实验成功。 4 / 42 /*创建第一个子进程*/ /*创建第二个子进程*/
    3.2 系统调用 ①简介： 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。 ②实验原理 Linux 用来实现系统调用异常的实际指令是： int $0x80 这一指令使用中断/异常向量号 128（即 16 进制的 80）将控制权转移给内核 （进行模式切换）。为达到在使用系统调用时不必用机器指令编程，在标准的 C 语言库中为每一系统调用提供了一段短的子程序，完成机器代码的编程工作。事 实上，机器代码段非常简短。它所要做的工作只是将送给系统调用的参数加载到 CPU 寄存器中，接着执行 int $0x80 指令。然后运行系统调用，系统调用的返回 值将送入 CPU 的一个寄存器中，标准的库子程序取得这一返回值，并将它送回用 户程序。 下面以 getuid()系统调用为例来看调用过程： 5 / 42
    用户程序 int main() { ….. getpid(); …… } 标准 C 库 int getuid(void) { long _res; ….. int 中断处理 ENTRY(system_call) pushl %eax SAVE_ALL GET_CURRENT(%ebx call sys_getuid16 …… RESTORE_ALL ) 内核例程 asmlinkage long sys_getuid16(void) { return hig2lowuid(current_uid); } ③实验过程 A.步骤 1：下载源代码 如果系统不包含源文件，则需要在网站上下载系统源代码 网址： http://kernel.org B.步骤 2：修改相应内核文件 (1) 修改（添加）源代码 第一个任务是编写加到内核中的源程序，即将要加到一个内核文件中去的一 个函数，该函数的名称应该是新的系统调用名称前面加上 sys_标志。假设新加 的系统调用为 mycall(int number)，在/usr/src/linux—3.0.24/kernel/sys.c 文件中添加源代码，如下所示： 6 / 42
    asmlinkage int sys_mycall(int n,const char* sfile,const char* tfile){/* mycall 文件拷贝 */ int from_fd,to_fd; int bytes_read,bytes_write; char buffer[BUFFER_SIZE];/* 设定一个缓冲区 */ char *ptr; mm_segment_t old_fs; old_fs=get_fs(); set_fs(KERNEL_DS); if(n!=3){/* 三个参数 */ /*保存原来的段*/ /*设置为数据段*/ printk(KERN_ERR "Usage:%s fromfile tofile\n\a",sfile); return(-1); } /* 打开源文件 */ if((from_fd=sys_open(sfile,O_RDONLY,S_IRUSR))==-1){ printk(KERN_ERR "Open %s Error\n",sfile); return(-1); } /* 创建目的文件 */ if((to_fd=sys_open(tfile,O_WRONLY|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR))==- 1){ } printk(KERN_ERR "Open %s Error\n",tfile); return(-1); /* 以下代码是一个经典的拷贝文件的代码 */ while(bytes_read=sys_read(from_fd,buffer,BUFFER_SIZE)){ /* 一个致命的错误发生了 */ if(bytes_read==-1) break; else if(bytes_read>0){ ptr=buffer; while(bytes_write=sys_write(to_fd,ptr,bytes_read)){ /* 一个致命错误发生了 */ if(bytes_write==-1)break; /* 写完了所有读的字节 */ else if(bytes_write==bytes_read) break; /* 只写了一部分,继续写 */ else if(bytes_write>0){ ptr+=bytes_write; bytes_read-=bytes_write; } } /* 写的时候发生的致命错误 */ if(bytes_write==-1)break; 7 / 42
    } } set_fs(old_fs); sys_close(from_fd); sys_close(to_fd); return(1); } (2) 连接新的系统调用 添加新的系统调用后，下一个任务是使 Linux 内核的其余部分知道该程序的 存在。为了从已有的内核程序中增加到新的函数的连接，需要编辑两个文件。 entry.s 文件中的 sys_call_table 独立出来，我们可以在该文件下看到类 似 于 #include"syscall_table.s" 字 样 ， 说 明 我 们 正 真 需 要 修 改 在 syscall_table.s 中有类似如下的清单： syscall_table.s。 .long sys_name 该清单用来对 sys_call_table[]数组进行初始化。该数组包含指向内核中 每个系统调用的指针。这样就在数组中增加了新的内核函数的指针。我们在清单 上最后添加一行： .long sys_mycall /*新增系统调用 337，文件拷贝*/ 第二个要修改的文件是 unistd.h(一般情况下有两个 unistd.h 需要修改）： /usr/src/linux—2.6.32.58/include/asm-i386/unistd.h /usr/include/asm/unistd.h 该文件中包含了系统调用清单，用来给每个系统调用分配一个唯一的号码。 文件中每一行的格式如下： #define __NR_name NNN 其中，name 用系统调用名称代替，而 NNN 则是该系统调用对应的号码。应 该将新的系统调用名称加到清单的最后，按 syscall_table.S 文件的编号给它分 配号码序列中下一个可用的系统调用号。我们的系统调用如下： #define __NR_rt_tgsigqueueinfo 240 __SYSCALL(__NR_rt_tgsigqueueinfo, sys_rt_tgsigqueueinfo) #define __NR_perf_event_open 241 __SYSCALL(__NR_perf_event_open, sys_perf_event_open) #undef __NR_syscalls #define __NR_syscalls 242 最后一行说明内核自身的系统调用号已经使用到 241，共有 242 个（从 0 开 始）。我们新添加的系统调用应该加到最后，并修改系统调用总数。修改如下： #define __NR_rt_tgsigqueueinfo 240 __SYSCALL(__NR_rt_tgsigqueueinfo, sys_rt_tgsigqueueinfo) #define __NR_perf_event_open 241 __SYSCALL(__NR_perf_event_open, sys_perf_event_open) /* #undef __NR_syscalls */ 8 / 42
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