《操作系统课程设计》PPT课件.ppt

操作系统课程设计,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,2,内容简介,设计目的 设计内容 实施方法及要求 时间安排 辅导,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,3,设 计 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。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,4,内容简介,设计目的 设计内容 实施方法及要求 时间安排 辅导,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,5,设 计 内 容(1),要求：熟悉和理解Linux编程环境 内容 1）编写一个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的运行。 #include /doc/pro/curses1.html,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,6,设 计 内 容(2),要求：掌握添加系统调用的方法 内容 采用编译内核的方法，添加一个新的系统调用。 编写一个应用程序，测试新添加的系统调用。 系统调用的功能：文件拷贝。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,7,设 计 内 容(3),要求：掌握添加设备驱动程序的方法 内容： 采用模块方法，添加一个新的设备驱动程序。 要求添加字符设备的驱动。 编写一个应用程序，测试添加的驱动程序。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,8,设 计 内 容(4),要求：理解和分析/proc文件 内容 了解/proc文件的特点和使用方法。 监控系统状态，显示系统中若干部件的使用情况。 用图形界面显示系统监控状态。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,9,设 计 内 容(5),要求：理解和掌握文件系统的设计方法 （选做） 内容 设计、实现一个模拟的文件系统。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,10,内容简介,设计目的 设计内容 实施方法及要求 时间安排 辅导,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,11,实施方法及要求,每位同学都必须独立完成课程设计内容。 上机考核 演示完成的系统，并回答老师的问题。 提交 文本的课程设计报告，内容包括课程设计内容分析、程序清单(附注释)、调试记录（碰到的问题和解决方案）以及课程设计心得。 程序（电子版）。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,12,实施方法及要求（续）,支持借鉴和学习已有的优秀知识！ 反对全盘拷贝，不求甚解！ 吸收和消化他人经验，做自己的课程设计！ 自学能力的培养：学会上网查资料、解决问题！,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,13,内容简介,设计目的 设计内容 实施方法及要求 时间安排 辅导,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,14,课程设计时间：第一、二周 答疑 南一楼804 EMAIL：郑伟德 郑 然 考核 系统、问答、报告,时间安排,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,15,内容简介,设计目的 设计内容 实施方法及要求 时间安排 辅导,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,16,课程设计辅导,Linux系统的相关知识 以Redhat Linux 9.0为例 添加系统调用 添加设备驱动程序 /proc文件分析,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,17,Linux系统的相关知识,Linux版本 Linux通过简单的编号来区别内核的稳定版和开发版。每个版本用三个数字描述，由圆点分隔。前两个数表示版本号，第三个数表示发布号，如2.4.20。（2.6版本和2.4版本在具体的操作细节上有很大差异） 如果第二个数为偶数，则表示稳定的内核；否则，表示开发中的内核。 稳定版的发布主要用来纠正用户所报告的错误，但实现内核的主要算法和数据结构基本不变。然而，开发版本间可能存在很大的差异。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,18,Linux系统的常用目录,文件目录结构树型结构 常用目录有： /dev: dev是device的缩写。这个目录包含Linux的所有设备文件，如/dev/hda代表第一个物理IDE硬盘。 /etc: 这个目录用来存放系统管理所需要的配置文件和子目录。 /lib: 这个目录里存放着系统最基本的动态链接共享库，几乎所有的应用程序都需要用到这些共享库。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,19,Linux系统的常用目录（续）,/usr: 这是最庞大的目录，我们要用到的应用程序和文件几乎都存放在这个目录下。其中包含以下子目录: /usr/include: Linux下开发和编译应用程序所需的头文件； /usr/lib: 常用的动态链接共享库和静态档案库； /usr/local: 这是提供给一般用户的目录，在这里安装软件最适合； /usr/man: 帮助文档的存放目录； /usr/src: Linux的源代码目录。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,20,Linux系统的核心源码,Linux核心源代码位于/usr/src/linux下，包括： arch: 包括所有和CPU类型相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的CPU类型，例如i386就是关于Intel CPU及与之相兼容的体系结构的子目录，PC机一般都基于此目录； drivers: 放置系统所有的设备驱动程序;每种驱动程序又各占用一个子目录，如/block下为块设备驱动程序； include: 包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在include/linux子目录下，与Intel CPU相关的头文件在include/asm-i386子目录下；,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,21,Linux系统的核心源码（续）,Linux核心源代码中的内容还包括： init: 包含核心的初始化代码(注：不是系统的引导代码)，包含两个文件 main.c和version.c，这是研究核心如何工作的一个非常好的起点； mm: 包括所有独立于CPU体系结构的内存管理代码，如页式存储管理中内存的分配和释放等，而和体系结构相关的内存管理代码则位于arch/*/mm/下； kernel: 主要的核心代码，此目录下的文件实现了大多数Linux系统的内核函数，其中最重要的文件当属进程调度sched.c，同样，和体系结构相关的代码在arch/*/kernel中。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,22,课程设计辅导,Linux系统的相关知识 以Redhat Linux 9.0为例 添加系统调用 添加设备驱动程序 /proc文件分析,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,23,添加系统调用,Linux系统调用机制 Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。 用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。 系统调用与普通函数调用的区别 系统调用 核心态 操作系统核心提供 普通的函数调用 用户态 函数库或用户自己提供,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,24,添加系统调用（续）,Linux系统调用机制 int 0x80 使用寄存器中适当的值跳转到内核中事先定义好的代码中执行：跳转到系统调用的总入口system_call，检查系统调用号，再查找系统调用表sys_call_table，调用内核函数，最后返回。 系统调用是靠一些宏、一张系统调用表、一个系统调用入口来完成的。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,25,添加系统调用（续）,与系统调用相关的内核代码文件： /usr/src/linux/include/asm-i386/unistd.h 系统调用清单(为每个系统调用分配唯一号码) /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 包含系统调用和异常的底层处理程序、信号量的识别程序 ret_from_sys_call：调用和中断的返回点 对sys_call_table （系统功能调用表）进行初始化 /usr/src/linux/kernel/sys.c 系统调用实现代码 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/traps.c 定义许多出错处理程序,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,26,添加系统调用（续）,步骤_1 添加源代码 编写添加到内核中的源程序，函数名以sys_开头。 如：mycall(int num)，在/usr/src/linux/kernel/sys.c文件中添加如下代码： asmlinkage int sys_mycall(int number) return number; /该系统调用仅返回一个整型值 ,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,27,添加系统调用（续）,步骤_2 连接新的系统调用 使内核的其余部分知道该系统调用的存在。为此，需编辑两个文件： /usr/src/linux/include/asm-i386/unistd.h系统调用清单(为每个系统调用分配唯一号码) define _NR_name nnn 这里，name：系统调用名；nnn：系统调用对应的号码，不能与内核自身的系统调用号相同。 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S对sys_call_table 进行初始化(增加新的内核函数的指针) .long SYMBOL_NAME(sys_mycall),2019/6/10,华中科技大学计算机学院,28,添加系统调用（续）,步骤_3 重建Linux内核 以root身份进入/usr/src/linux目录，重建内核 #make config /基于文本的传统配置界面 #make dep /检验内核源代码文件的依赖性和完整性 #make clean /清除以前编译的目标文件 #make bzImage /编译内核，也可采用make zImage 编译生成的内核文件为 /usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage,配置内核的方式 make config 基于文本的传统配置界面 make menuconfig 基于文本的菜单形式配置界面，字符终端下使用 make xconfig 基于图形窗口模式的配置界面，Xwindow下使用 对每个配置选项，有三种选择： “Y”将该功能编译进内核 “N”不将该功能编译进内核 “M”将该功能编译成可动态载入的内核模块,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,29,补充说明,配置内核的方式 make config 基于文本的传统配置界面 make menuconfig 基于文本的菜单形式配置界面，字符终端下使用 make xconfig 基于图形窗口模式的配置界面，Xwindow下使用 make oldconfig 在原来的配置上作小的修改 对每个配置选项，有三种选择： “Y”将该功能编译进内核 “N”不将该功能编译进内核 “M”将该功能编译成可动态载入的内核模块,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,30,添加系统调用（续）,步骤_4 重启内核 将/usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage拷贝到/boot/bzImage 配置启动文件 若采用lilo，修改/etc/lilo.conf，添加新的引导内核 image=/boot/bzImage / 上面编译生成的内核映象 label=Linuxtest / 给该系统取个名字 root=/dev/hda5 / 根目录所在的分区，可用命令df查看 read-only 若采用grub，修改/etc/grub.conf，添加新的引导内核 title Linuxtest root(hd0,4) kernel /boot/bzImage ro root=/dev/hda5 initrd /boot/initrd-2.4.18-3.img 重启后，出现Linuxtest选项，选择它进入新的内核,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,31,添加系统调用（续）,步骤_5 使用新的系统调用 应用程序app.c中调用新添加的系统调用mycall： 宏指令说明：_syscalln(parameters)：n表示系统调用所需参数，parameters为参数。如上面的宏中，第一个参数int表示返回值类型，第二个参数mycall为函数名。第三个和第四个分别用来指定参数的类型和名称。 编译gcc o app app.c,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,32,添加系统调用（续）,注意（与内容一文件拷贝的异同）： 相同点：功能相同、代码基本完全一样 不同点：作为内核代码，不能直接调用系统调用命令，应直接使用系统调用的实际函数 printf printk open() sys_open() close() sys_close() read() sys_read() write() sys_write(),2019/6/10,华中科技大学计算机学院,33,课程设计辅导,Linux系统的相关知识 以Redhat Linux 9.0为例 添加系统调用 添加设备驱动程序 /proc文件分析,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,34,添加设备驱动程序,内核模块 LKM Loadable Kernel Modules Linux核心是一种monolithic类型的内核，即单一的大核心。 linux内核是一个整体结构，因此向内核添加任何东西.或者删除某些功能，都十分困难。为了解决这个问题，引入了模块机制，从而可以动态的在内核中添加或者删除模块。一旦被插入内核,他就和内核其他部分一样。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,35,添加设备驱动程序(续）,模块的实现机制 模块初始化 int init_module( ) ； 模块卸载 int cleanup_module( ) ； 操作 unsigned long sys_create_module (char *name, unsigned long size); /重新分配内存 int sys_delete_module (char *name); /卸载 int sys_query_module (const char *name, int which, void *buf, size_t bufsize, size_t *ret); /查询 头文件：/usr/scr/linux/include/linux/module.h,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,36,添加设备驱动程序（续）,模块的实现机制 模块加入：insmod modulename.o 完成：加载目标文件 调用create_module重新分配内存 内核符号用get_kernel_syms解析未解析的引用 调用init_module初始化LKM-执行init_module(void)函数 查看模块：lsmod 结果：Module Page Used by modulename 1(内存信息) 0(使用次数) 删除模块：rmmod modulename,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,37,添加设备驱动程序（续）,模块编程实例 hello.c源码 编译 gcc DMODULE D_KERNEL_ -I /usr/src/linux_2.4.20-8/include -c hello.c,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,38,添加设备驱动程序（续）,Linux支持的设备类型 字符设备 c 存取时没有缓存；对字符设备发出读写请求时，实际的I/O就发生了。如：鼠标、键盘等。 块设备 b 利用一块系统内存区域作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户要求时，返回请求数据，否则，调用请求函数进行实际的I/O操作。如：硬盘、软盘、CD-ROM等。 网络设备,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,39,添加设备驱动程序（续）,设备驱动程序 一组常驻内存的具有特权的共享库，是低级硬件处理例程。 设备等同文件处理，每个设备文件有两个设备号 主设备号：标识驱动程序 从设备号：表示使用同一个设备驱动程序的不同硬件设备。 设备驱动程序工作的基本原理 用户进程利用系统调用对设备进行诸如read/write操作，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,40,添加设备驱动程序（续）,设备驱动程序的功能 对设备初始化和释放； 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 读取应用程序传输给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 检测和处理设备出现的错误。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,41,添加设备驱动程序（续）,Linux系统采用一组固定的入口点来实现驱动设备的功能。 open入口点: 打开设备准备I/O操作。open子程序必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。 close入口点: 关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close子程序。 read入口点: 从设备上读数据。 write入口点: 往设备上写数据。 ioctl入口点: 执行读、写之外的操作。 select入口点: 检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。 如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,42,添加设备驱动程序（续）,入口点采用如下数据结构实现：,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,43,添加设备驱动程序（续）,注册设备：向系统登记设备及驱动程序的入口点 int register_chrdev (unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); /向系统的字符设备表登记一个字符设备 /major：希望获得的设备号，为0时系统选择一个没有被占用的设备号返回。 /name：设备名 /fops：登记驱动程序实际执行操作的函数的指针 /登记成功，返回设备的主设备号，否则，返回一个负值 int register_blkdev (unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); /向系统的块设备表登记一个块设备,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,44,添加设备驱动程序（续）,设备卸载 int unregister_chrdev (unsigned int major, const char *name); /卸载字符设备 /major：要卸载设备的主设备号 /name：设备名 int unregister_blkdev (unsigned int major, const char *name); /卸载块设备,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,45,典型驱动程序的结构,字符设备提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,46,添加设备驱动程序（续）,添加设备驱动程序的方法 编写设备驱动程序mydev.c 在模块的初始化init_module()中调用设备注册函数； 在模块的卸载cleanup_module()中调用设备的卸载函数。 设备驱动模块的编译 gcc -O2 -DMODULE -D_KERNEL_ -I/usr/src/linux-2.4.20-8/include -c mydev.c 加载设备驱动模块: insmod f mydev.o 若加载成功，在文件/proc/devices中能看到新增加的设备，包括设备名mydev和主设备号。 生成设备文件 mknod /dev/test c 254 0 /其中，test为设备文件名，254为主设备号，0为从设备号，c表示字符设备,2019/6/10,华中科技大学计算机学院,47,编写应用程序，测试驱动程序 编译 gcc hello.c o hello,添加设备驱动程序（续）,201