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操作系统课程设计报告题目：Geekos 操作系统的研究与实现院（系）：计算机与信息安全学院专业：计算机科学与技术学生姓名：学号：指导教师单位：计算机与信息安全学院姓名：王慧娇职称：副教授题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2019 年 3 月 30 日

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸摘要 GeekOS：是一个基于 X86 架构的 PC 机上运行的微操作系统内核，由美国马理兰大学的教师开发，是一个用 C 语言开发的操作系统， GeekOS 主要用于操作系统课程设计，目的是使学生能够实际动手参与到一个操作系统的开发工作中。学生可以在 Linux 或 Unix 环境下对其进行功能扩充，且其针对进程、文件系统、存储管理等操作系统核心内容分别设计了 7 个难度逐渐增加的项目供学生选择。 - I -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸目录目录 ................................................................................................................................................................. II 1 绪论 ............................................................................................................................................................ 1 1.1 GeeKos 操作系统概述 .................................................................................................................. 1 1.2 课程设计的目的与任务 .............................................................................................................. 1 1.2.1 项目设计 0 ................................................................................................................................ 1 1.2.2 项目设计 1 ................................................................................................................................ 2 1.2.3 项目设计 2 ................................................................................................................................ 2 1.2.4 项目设计 3 ................................................................................................................................ 3 2 系统分析 .................................................................................................................................................. 4 2.1 GeeKos 实验项目开发环境的搭建 ........................................................................................... 4 一、vmware 安装 ............................................................................................................................. 4 3 系统设计与实现 .................................................................................................................................... 7 3.1 项目设计流程图和原理 .............................................................................................................. 7 3.1.1 项目设计 0 原理 ...................................................................................................................... 7 3.1.2 项目设计 1 原理 ...................................................................................................................... 7 3.1.3 项目设计 2 原理 ...................................................................................................................... 8 3.1.4 项目设计 3 原理 ...................................................................................................................... 9 3.2 项目设计的具体实现代码（要有详细注释） .................................................................... 11 3.2.1 项目设计 0 具体实现代码 ................................................................................................. 11 3.2.2 项目设计 1 具体实现代码 ................................................................................................. 12 3.2.3 项目设计 2 具体实现代码 ................................................................................................. 13 3.2.4 项目设计 3 具体实现代码 ................................................................................................. 16 4 系统测试及编译运行 ......................................................................................................................... 23 4.1 系统编译运行的结果及分析说明 ........................................................................................... 23 4.1.1project0 ..................................................................................................................................... 23 4.1.2project1 ..................................................................................................................................... 24 4.1.3project2 ..................................................................................................................................... 24 4.1.4project3 ..................................................................................................................................... 25 4.2、遇到问题及解决方法 ............................................................................................................... 27 - II -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 5、总结 ....................................................................................................................................................... 28 6、参考文献 .............................................................................................................................................. 28 - III -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第 1 页共 28 页 1 绪论计算机操作系统是管理计算机系统软件、硬件资源、控制程序运行、改善人机界面、提供各种服务、合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算提供良好的运行环境的系统软件，它为用户使用计算机提供一个方便、灵活、安全、可靠的工作环境，也是气体应用软件赖以存在的基础，不仅是搞笑计算机专业学生需要了解它，从事计算机行业的人员也需要深入的了解它。此次课程设计，通过搭建 linux 实验平台，对专门卫操作系统课程教学而设计的操作系统——Geekos 的项目代码的补充和完善，从浅到深，由表及里地去理解操作系统的设计思想，理解操作系统的基本工作原理。 1.1 GeeKos 操作系统概述 GeekOS：是一个基于 X86 架构的 PC 机上运行的微操作系统内核，由美国马理兰大学的教师开发，是一个用 C 语言开发的操作系统， GeekOS 主要用于操作系统课程设计，目的是使学生能够实际动手参与到一个操作系统的开发工作中。学生可以在 Linux 或 Unix 环境下对其进行功能扩充，且其针对进程、文件系统、存储管理等操作系统核心内容分别设计了 7 个难度逐渐增加的项目供学生选择 1.2 课程设计的目的与任务 1.2.1 项目设计 0 一、项目设计目的：熟悉 GeekOS 的项目编译、调试和运行环境，掌握 GeekOS 运行工作过程。二、项目设计要求： 1、搭建 GeekOS 的编译和调试平台，掌握 GeekOS 的内核进程工作原理。 2、熟悉键盘操作函数，编程实现一个内核进程。该进程的 - 1 -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第 2 页共 28 页功能是：接收键盘输入的字符并显示到屏幕上，当输入 ctrl+d 时，结束进程的运行 1.2.2 项目设计 1 一、项目设计目的熟悉 ELF 文件格式，了解 GeekOS 系统如何将 ELF 格式的可执行程序装入到内存，建立内核进程并运行的实现技术。二、项目设计要求 1、修改/geekos/elf.c 文件：在函数 Parse_ELF_Executable( ) 中添加代码，分析 ELF 格式的可执行文件（包括分析得出 ELF 文件头、程序头，获取可执行文件长度，代码段、数据段等信息），并填充 Exe_Format 数据结构中的域值。 2、在 Linux 环境下编译系统得到 GeekOS 镜像文件。 3、编写一个相应的 bochs 配置文件。 4、在 bochs 中运行 GeekOS 系统显示结果。 1.2.3 项目设计 2 一、项目设计目的扩充 GeekOS 操作系统内核，使得系统能够支持用户级进程的动态创建和执行。二、项目 2 要求用户对以下几个文件进行修改： 1）“src/GeekOS/user.c”文件中的函数 Spawn（），其功能是生成一个新的用户级进程； 2）“src/GeekOS/user.c”文件中的函数 Switch_To_User_Context（），调度程序在执行一个新的进程前调用该函数以切换用户地址空间； 3）“src/GeekOS/elf.c”文件中的函数 Parse_ELF_Executable（）。该函数的实现要求和项目 1 相同。 4 ）“ src/GeekOS/userseg.c ” 文件中主要是实现一些为实现对 “src/GeekOS/user.c”中高层操作支持的函数。 Destroy_User_Context（）函数的功能是释放用户态进程占用的内存资源。 Load_User_Program（）函数的功能通过加载可执行文件镜像创建新进程的 User_Context 结构。 - 2 -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第 3 页共 28 页 Copy_From_User（）和 Copy_To_User（）函数的功能是在用户地址空间和内核地址空间之间复制数据，在分段存储器管理模式下，只要段有效，调用 memcpy 函数就可以实现这两个函数的功能。 Switch_To_Address_Space（）函数的功能是通过将进程的 LDT 装入到 LDT 寄存器来激活用户的地址空间； 5)“src/GeekOS/kthread.c”文件中的 Start_User_Thread 函数和 Setup_User_Thread 函数。 Setup_User_Thread（）函数的功能是为进程初始化内核栈，栈中是为进程首次进入用户态运行时设置处理器状态要使用的数据。 Start_User_Thread （）是一个高层操作，该函数使用 User_Context 对象开始一个新进程。 6）“src/GeekOS/kthread.c”文件中主要是实现用户程序要求内核进行服务的一些系统调用函数定义。要求用户实现的有 Sys_Exit（）函数、Sys_PrintString（）函数、Sys_GetKey（）、Sys_SetAttr（）、 Sys_GetCursor（）、Sys_PutCursor（）、Sys_Spawn（）函数、Sys_Wait （）函数和 Sys_GetPID( )函数。 7）在 main.c 文件中改写生成第一个用户态进程的函数调用： Spawn_Init_Process(void) 。 1.2.4 项目设计 3 一、项目设计目的研究进程调度算法，掌握用信号量实现进程间同步的方法。为 GeekOS 扩充进程调度算法——基于时间片轮转的进程多级反馈调度算法，并能用信号量实现进程协作。二、项目设计要求 (1)实现 src/geekos/syscall.c 文件中的 Sys_SetSchedulingPolicy 系统调用，它的功能是设置系统采用的何种进程调度策略； (2)实现 src/geekos/syscall.c 文件中的 Sys_GetTimeOfDay 系统调用，它的功能是获取全局变量 g_numTicks 的值； (3)实现函数 Change_Scheduling_Policy()，具体实现不同调度算法的转换。 (4) 实现 syscall.c 中信号量有关的四个系统调用： sys_createsemaphore( )、sys_P( )、sys_V( )和 sys_destroysemaphore( )。 - 3 -

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸第 4 页共 28 页 2 系统分析 2.1 GeeKos 实验项目开发环境的搭建一、vmware 安装打开已经下载好的虚拟机安装包下一步：接收协议 - 4 -

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