《操作系统》课程设计任务书

PAGE20PAGEI操作系统课程设计任务书主编：操作系统课程组计算机学院2009前言操作系统是计算机系统中的核心系统软件，它负责控制和管理整个系统的资源并组织用户协调使用这些资源，是计算机高效的工作。操作系统课程是计算机科学与技术专业核心课程。由于操作系统是最优秀、最复杂和最庞大的软件之一，所以，真正领会操作系统课程所介绍的感念、原理、方法和技巧等，是十分困难的。另外，理教过程中，为了使学生能清楚的理解操作系统对各类资源管理的思想和算法，往往采取将整个系统离散化的方式进行讲解，再加上针对算法的安排实验，却能让学生很好的理解各种管理思想和方法。但是，这样一来存在一个突出的问题，学习中缺少系统的整体感。为了弥补这种缺憾，计划中安排了1.5周的课程设计。考虑到实验室设备为共享计算机，不能因操作系统课程设而影响其它工作，特选择不会影响整个系统工作的文件系统作为操作系统课程设计的对象。

《操作系统》课程设计目录TOC\o"1-3"\u第一章概述 1第二章课程设计要求及注意事项 2第三章课程设计项目 3项目一：多线程同步 3一、生产者-消费者问题 3二、读者-写者问题的实现 6项目二：文件管理系统的设计 8一、子目录管理 8二、目录项结构 8三、文件分配表（FAT）作用 8四、创建文件 8五、文件复制 8六、文件头结构 9七、程序加载方法 9八、内存驻留（TSR）方法 9第四章参考文献 10附录A相关API函数 11附录B优盘文件系统 12附录C课程设计报告规范 17附录D考核方式 18第一章概述操作系统课程是计算机科学与技术专业核心课程。《高级语言程序设计》、《数据结构》等课程为其前趋课程。该课程理论性强，难以理解。通过该课程设计，能帮助学生深透理解并真正领会操作系统课程所介绍的感念、原理、方法和技巧，以及操作系统的整体认识。该课程设计为1.5周即45学时。涉及内容共分十个子任务，其中两个为多线程同步程序设计，八个为文件系统中的子目录管理、目录项结构、文件分配表（FAT）作用、创建文件、文件复制、文件头结构、程序加载方法、内存驻留（TSR）方法。这八个任务对操作系统原理中的文件系统所涉及到的理论知识进行了全面而有机地训练。实现语言为汇编语言或C或VC++等。学生可以根据自己情况选做一个或多个项目进行设计，并已完成个数的多少和质量评定成绩。

第二章课程设计要求及注意事项设计环境要求：硬件：普通PC386以上微机；一张软盘或优盘；系统平台：Windows2000/XP、Linux;开发语言：C、VC++、汇编语言；设计要求：要求每位学生事先准备一张软盘或优盘，题目二设计中针对软盘或优盘进行操作。设计前应复习设计中所涉及的理论知识和算法，针对设计要求完成基本代码编写并完成预习报告、设计中认真调试所编代码并进行必要的测试、记录并分析设计结果，设计后认真书写符合规范格式的设计报告（参见附录C），并要求用正规的课程设计报告纸和封面装订整齐，按时上交。

第三章课程设计项目项目一：多线程同步一、生产者和消费者问题1、实验目的（1）掌握基本的同步互斥算法，理解生产者和消费者同步的问题模型。（2）了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。（3）学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象，掌握相应的API。2、实验要求（1）创建生产者和消费者线程在Windows2000环境下，创建一个控制台进程，在此进程中创建n个线程来模拟生产者或者消费者。这些线程的信息由本程序定义的“测试用例文件”中予以指定。该文件的格式和含义如下：31P32P43C414P25C3124第一行说明程序中设置几个临界区，其余每行分别描述了一个生产者或者消费者线程的信息。每一行的各字段间用Tab键隔开。不管是消费者还是生产者，都有一个对应的线程号，即每一行开始字段那个整数。第二个字段用字母P或者C区分是生产者还是消费者。第三个字段表示在进入相应线程后，在进行生产和消费动作前的休眠时间，以秒计时；这样做的目的是可以通过调整这一列参数，控制开始进行生产和消费动作的时间。如果是代表生产者，则该行只有三个字段。如果代表消费者，则该行后边还有若干字段，代表要求消费的产品所对应的生产者的线程号。所以务必确认这些对应的线程号存在并且该线程代表一个生产者。（2）生产和消费的规则在按照上述要求创建线程进行相应的读写操作时，还需要符合以下要求：①共享缓冲区存在空闲空间时，生产者即可使用共享缓冲区。②从上边的测试数据文件例子可以看出，某一生产者生产一个产品后，可能不止一个消费者，或者一个消费者多次地请求消费该产品。此时，只有当所有的消费需求都被满足以后，该产品所在的共享缓冲区才可以被释放，并作为空闲空间允许新的生产者使用。③每个消费者线程的各个消费需求之间存在先后顺序。例如上述测试用例文件包含一行信息“5C3l24”④要求在每个线程发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示提示信息。（3）相关基础知识本实验所使用的生产者和消费者模型具有如下特点：本实验的多个缓冲区不是环形循环的，也不要求按顺序访问。生产者可以把产品放到目前某一个空缓冲区中。消费者只消费指定生产者的产品。在测试用例文件中指定了所有的生产和消费的需求，只有当共享缓冲区的数据满足了所有关于它的消费需求后，此共享缓冲区才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。本实验在为生产者分配缓冲区时各生产者间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。而消费者之间只有在对同一产品进行消费时才需要互斥，同时它们在消费过程结束时需要判断该消费对象是否已经消费完毕并清除该产品。Windows用来实现同步和互斥的实体。在Windows中，常见的同步对象有：信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界段(CriticalSection)等。使用这些对象都分为三个步骤，一是创建或者初始化：接着请求该同步对象，随即进入临界区，这一步对应于互斥量的上锁；最后释放该同步对象，这对应于互斥量的解锁。这些同步对象在一个线程中创建，在其他线程中都可以使用，从而实现同步互斥。

二、读者-写者问题的实现设计目的通过实现经典的读者写者问题，巩固对线程及其同步机制的学习效果，加深对相关基本概念的理解，并学习如何将基本原理和实际设计有机的结合。2设计内容在Windows2000/XP环境下，使用多线程和信号量机制实现经典的读者写者问题，每个线程代表一个读者或一个写者。每个线程按相应测试数据文件的要求，进行读写操作。请用信号量机制分别实现读者优先和写者优先的读者-写者问题。读者-写者问题的读写操作限制：(1)写-写互斥，即不能有两个写者同时进行写操作(2)读-写互斥，即不能同时有一个读者在读，同时却有一个写者在写(3)读-读允许，即可以有二个以上的读者同时读读者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一读者正在进行读操作，则该读者可直接开始读操作。写者优先的附加限制：如果一个读者申请进行读操作时已有另一写者在等待访问共享资源，则该读者必须等到没有写者处于等待状态后才能开始读操作。运行结果显示要求：要求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确信所有处理都遵守相应的读写操作限制。3测试数据文件格式测试数据文件包括n行测试数据，分别描述创建的n个线程是读者还是写者，以及读写操作的开始时间和持续时间。每行测试数据包括四个字段，各字段间用空格分隔。第一字段为一个正整数，表示线程序号。第二字段表示相应线程角色，R表示读者是，W表示写者。第三字段为一个正数，表示读写操作的开始时间。线程创建后，延时相应时间（单位为秒）后发出对共享资源的读写申请。第四字段为一个正数，表示读写操作的持续时间。当线程读写申请成功后，开始对共享资源的读写操作，该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源。下面是一个测试数据文件的例子：1R352W453R524R655W5.13

项目二：文件管理系统的设计一、子目录管理1、目的：了解并掌握DOS创建和撤消子目录的方法及有关子目录操作的系统功能。2、内容：用DOS功能调用39H和3AH来创建和撤消子目录，以及用3BH来改变当前目录。3、实现：创建指定子目录撤消子目录指定子目录为当前目录二、目录项结构1、目的：了解目录项中文件属性的含义及如何修改文件属性的方法。2、内容：用DOS功能调用43H来获取并修改文件属性。三、文件分配表（FAT）作用1、目的：了解FAT作用，掌握通过FDT、FAT恢复被删除文件的方法，特别第二个FAT在恢复被删除文件中所起的作用。2、内容：根据第二个FAT表，利用FDT的保留域快速恢复被删除文件。四、创建文件1、目的：了解如何在DOS下创建一个新文件以及由键盘上输入该文件内容的整个过程。2、内容：由DOS功能调用建立一个文本文件，由键盘输入该文件内容。五、文件复制1、目的：掌握文件复制的一般方法及DOS文件管理功能调用的使用。2、内容：读一个文本文件的内容，将该文件内容拷贝到另一个文件中。读源文件内容送入内存缓冲区，将缓冲区内容写入目的文件上，从而完成文件的拷贝。六、文件头结构1、目的：进一步了解EXE文件特点，掌握EXE文件添加程序的方法。2、内容：给任意一个EXE文件添加一段程序。七、程序加载方法1、目的：了解在当前程序中加载其他程序的一般方法;加深对EXEC功能调用的掌握；了解FCB的文件操作方式；了解内存管理功能调用。2、内容：在当前程序中调用DOS的EXEC功能，加载执行其他应用程序。八、内存驻留（TSR）方法1、目的：掌握程序驻留内存的方法，了解如何用“热键”控制所需操作及对系统时钟的获取。2、内容：在图形模式下的屏幕右上角“弹出”一个时钟窗口，显示出系统当前时钟的“时：分：秒”值；如果不想让时钟显示，则只要同时按下左SHIFT键和右SHIFT键，再按下ENTER健，则此时窗口被关闭；如果再想让时钟显示，只要再次同时按下左SHIFT键和右SHIFT键即可。

第四章参考文献1．汤子瀛．计算机操作系统(修订版)(新世纪版)．西安电子科技大学出版社，2001.82．VisualC++6.0程序设计与开发技术大全．人民邮电出版社3．有关汇编语言程序设计：tMasm2007(汇编集成环境)或其他版本

附录A相关API函数&DOS系统功能调用1.相关API函数CreateThread()在调用进程的地址空间上创建一个线程ExitThread()用于结束当前线程Sleep()可在指定的时间内挂起当前线程CreateMutex()创建一个互斥对象，返回对象句柄OpenMutex()打开并返回一个已存在的互斥对象句柄，用于后续访问ReleaseMutex()释放对互斥对象的占用，使之成为可用WaitForSingleObject()可在指定的时间内等待指定对象为可用状态InitializeCriticalSection()初始化临界区对象EnterCriticalSection()等待指定临界区对象的所有权LeaveCriticalSection()释放指定临界区对象的所有权CreateSemaphore()创建一个信号量对象ReleaseSemaphore()将所指信号量加上指定大小的一个量2.DOS系统功能调用DOS系统功能调用表（INT21H）功能号（AH）功能描述入口参数出口参数0１H键盘输入并回显单字符AL=读入字符的ASCII09H显示字符串DS:DX=待输出串起始逻辑地址字符串以'$'结束0AH字符串输入到缓冲区DS:DX=待输出串起始逻辑地址首字节为最大允许按键数缓冲区次字节为实际输入字符数，然后是输入串39H建立子目录（MD）DS:DX=子目录串首地址AX=错误码3AH删除子目录(RD)DS:DX=子目录串首地址AX=错误码3BH改变当前目录(CD)DS:DX=子目录串首地址AX=错误码3CH建立文件DS:DX=子目录串首地址CX=文件属性成功：AX=文件代号失败：AX=错误码3DH打开文件DS:DX=子目录串首地址AL=打开方式成功：AX=文件代号失败：AX=错误码3EH关闭文件BX=文件代号失败：AX=错误码3FH读文件或设备DS:DX=数据缓冲区地址BX=文件代号成功：AX=实际读入字节数失败：AX=错误码40Ｈ写文件或设备DS:DX=缓冲区首地址BX=文件代号CX=待写入的字节数成功：AX=实际读入字节数失败：AX=错误码41H删除文件DS:DX=缓冲区首地址成功：AX=00失败：AX=错误码4CH带返回码结束AL=结束码

附录B优盘文件系统优盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为5部分：MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。1、主引导记录(MBR)绝对扇区号为：MBR_LBA=0x00000000处是主引导记录,等同位于硬盘的0磁道0柱面1扇区。在总共512字节的主引导扇区中，MBR只占用了其中的446个字节（ofs:0-ofs:1BDH），另外的64个字节（ofs:1BEH-ofs:1FDH）交给了DPT(DiskPartitionTable盘分区表),最后两个字节“55AA”（ofs:1FEH-ofs:1FFH）是分区的结束标志。①MBR定义如下：typedefstruct{ucharbootcode[446];//ofs:0.启动代码。“FA33C08ED0BC…”.

PartitionTablePT[4];//ofs:446.分区表length=4*16.

uintEndingFlag;//ofs:510.结束标识:0xAA55.}MBR_tag;②Bootcode[446]启动代码一般是固定的，用于引导x86，不用管。③分区表项的定义如下：typedefstruct{ucharBootFlag;//启动标志

CHSStartCHS;//分区开始的柱面、磁头、扇区

ucharSystemID;//分区类型

CHSEndCHS;//分区结束的柱面、磁头、扇区

ulongRelativeSectors;//分区起始扇区数，指分区相对于记录该分区的分区表的扇区位置之差(该分区表：LBA=0x0)。ulongTotalSectors;//分区总扇区数

}PartitionTable;④其中CHS为一个柱面、磁头、扇区的结构，定义如下:structCHS{ucharHead;//磁头。

unsignedSector:6;//扇区。

unsignedCyH2:2;//柱面(高两位)。

ucharCyL8;//柱面（低八位）。ulongCylinder(){return(uint(CyH2)*256+CyL8);}//返回柱面值

voidSetCylinder(uintCylinder)//设置柱面值{

CyH2=(Cylinder>>8)&0x3;CyL8=(Cylinder&0xff);}

};例：800101000BFEBFFC3F0000007E86BB00在这里我们可以看到:z“80”是一个分区的激活标志，表示系统可引导；z“010100”表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00；z“0B”表示分区的系统类型是FAT32，其他比较常用的有04（FAT16）、06（bigFAT16）、01（FAT12）、07（NTFS）；z“FEBFFC”表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764；z“3F000000”表示首扇区的相对扇区号为63；z“7E86BB00”表示总扇区数为12289622。2、系统引导记录(DBR)绝对扇区号为：DBR_LBA=MBR.PT[0].RelativeSectors处是DBR,等同位于硬盘的0磁道1柱面1扇区(512字节),是操作系统可以直接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为BPB（BiosParameterBlock）的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区跟目录前两个文件是不是操作系统的引导文件（以DOS为例，即是Io.sys和Msdos.sys）。如果确定存在，就把其读入内存，并把控制权交给该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数，分配单元的大小等重要参数。DBR定义如下：typedefstruct{

ucharbJmpBoot[3];//ofs:0.典型的如：0xEB,0x3E,0x90。

charbOEMName[8];//ofs:3.典型的如：“MSWIN4.1”。

uintBPB_wBytesPerSec;//ofs:11.每扇区字节数。

ucharBPB_bSecPerClus;//ofs:13.每簇扇区数。

uintBPB_wReservedSec;//ofs:14.保留扇区数，从DBR到FAT的扇区数。

ucharBPB_bNumFATs;//ofs:16.FAT的个数。

uintBPB_wRootEntry;//ofs:17.根目录项数。

uintBPB_wTotalSec;//ofs:19.分区总扇区数(<32M时用)。

ucharBPB_bMedia;//ofs:21.分区介质标识,优盘一般用0xF8。

uintBPB_wSecPerFAT;//ofs:22.每个FAT占的扇区数。

uintBPB_wSecPerTrk;//ofs:24.每道扇区数。

uintBPB_wHeads;//ofs:26.磁头数。

ulongBPB_dHiddSec;//ofs:28.隐藏扇区数，从MBR到DBR的扇区数。

ulongBPB_dBigTotalSec;//ofs:32.分区总扇区数(>=32M时用)。

ucharbDrvNum;//ofs:36.软盘使用0x00,硬盘使用0x80。

ucharbReserved1;//ofs:37.保留。

ucharbBootSig;//ofs:38.扩展引导标记：0x29。

ucharbVolID[4];//ofs:39.盘序列号。

charbVolLab[11];//ofs:43.“Msdos”。

charFileSysType[8];//ofs:54.“FAT16”。

ucharExecutableCode[448];//ofs:62.引导代码。

uintEndingFlag;//ofs:510.结束标识:0xAA55。

}DBR_tag;②DOS引导记录公式：z文件分配表≡保留扇区数

z根目录≡保留扇区数＋FAT的个数×每个FAT的扇区数

z数据区≡根目录逻辑扇区号＋（32×根目录中目录项数）/每扇区字节数

z绝对扇区号≡逻辑扇区号＋隐含扇区数

z扇区号≡（绝对扇区号%每磁道扇区数）＋1

z磁头号≡（绝对扇区号/每磁道扇区数）%磁头数

z磁道号≡（绝对扇区号/每磁道扇区数）/磁头数要点：1)DBR位于柱面0，磁头1，扇区1，其逻辑扇区号为0

2)DBR包含DOS引导程序和BPB。

3)BPB十分重要，由此可算出逻辑地址与物理地址。3、文件分配表(FAT)绝对扇区号为：FAT_LBA=DBR_LBA+BPB_wReservedSec处是文件分配表，是DOS文件组织结构的主要组成部分。我们知道DOS进行分配的最基本单位是簇。文件分配表是反映硬盘上所有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。DOS在给一个文件分配空间时总先扫描FAT，找到第一个可用簇，将该空间分配给文件，并将该簇的簇号填到目录的相应段内。即形成了“簇号链”。FAT就是记录文件簇号的一张表。FAT的头两个域为保留域，对FAT12来说是3个字节，FAT16来说是4个字节。其中头一个字节是用来描述介质的，其余字节为FFH。介质格式与BPB相同。①FAT结构含义：一般FAT表的第一项为FF8H或FFF8H。FAT12FAT16意义

000H0000H可用

FF0H－FF6HFFF0H－FFF6H保留

FF7HFFF7H坏

FF8H－FFFHFFF8H－FFFFH文件最后一个簇

×××H××××H文件下一个簇对于FAT16，簇号×2作偏移地址，从FAT中取出一字即为FAT中的域。

逻辑扇区号＝数据区起始逻辑扇区号＋（簇号－2）×每簇扇区数

簇号＝（逻辑扇区号－数据区起始逻辑扇区号）/每簇扇区数＋2要点：1)FAT反映硬盘上所有簇的使用情况，它记录了文件在硬盘中具体位置（簇）。2)文件第一个簇号（在目录表中）和FAT的该文件的簇号串起来形成文件的“簇号链”，修复被破坏的文件就是根据这条链。3)由簇号可算逻辑扇区号，反之，由逻辑扇区号也可以算出簇号，公式如上。4)FAT位于DBR之后，其DOS扇区号从1开始。4、文件目录表(FDT)绝对扇区号为：FDT_LBA=FAT_LBA+BPB_bNumFATs*BPB_wSecPerFAT处是文件目录表，DOS文件组织结构的又一重要组成部分。文件目录分为两类：根目录，子目录。根目录有一个，子目录可以有多个。子目录下还可以有子目录，从而形成“树状”的文件目录结构。子目录其实是一种特殊的文件，DOS为目录项分配32字节。目录项定义如下：typedefstruct{

charFileName[8];//ofs:0.文件名

charExtName[3];//ofs:8.扩展名

ucharattribute;//ofs:11.文件属性。典型值：存档(0x20)、卷标(0x08)。

charreserved[10];//ofs:21.保留

uinttime;//ofs:22.时间

uintdata;//ofs:24.日期

uintStartClus;//ofs:26.开始簇号

ulongFileLength;//ofs:28.文件长度}DIR_tag；

1)目录项文件名区域中第一个字节还有特殊的意义：.00H代表未使用。

.05H代表实际名为E5H。

.E5H代表此文件已被删除。

2)目录项属性区域的这个字节各个位的意义如下：７６５４３２１０

未修修子卷系隐只

用改改目标统藏读

标标录属属属志志性性性3)WINDOWS的长文件名使用了上表中所说的“保留”这片区域。4)时间：time=Hr*2048+Min*32+Sec+2。5)日期：time=(Yr-1980)*512+Mon*32+Day。6)簇号与逻辑扇区号的关系为：逻辑扇区号=（簇号-2）×每簇扇区数+数据区起始逻辑扇区号。7)要点：.文件目录是记录所有文件，子目录名，扩展名属性，建立或