操作系统课程设计25课件.ppt

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1、操作系统课程设计,9/24/2022,1,Real-Time Systems Lab.,操作系统课程设计9/24/20221Real-Time S,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,9/24/2022,2,Real-Time Systems Lab.,内容简介设计目的9/24/20222Real-Time Sy,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。,9/24/2022,3,Real-Time Systems Lab.,设 计 目 的掌握Linux操作系统的使用方法；9/24/2,内容简介,设计目的设计

2、内容实施方法及要求时间安排辅导,9/24/2022,4,Real-Time Systems Lab.,内容简介设计目的9/24/20224Real-Time Sy,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 chinalinuxpub/doc/pro/curses1.html,9/24/2022,5,Real-Time Systems Lab.,设 计 内 容(1)要求：熟悉和理解Linux编程环境9/2,设 计 内 容(2),要求：掌握添加系统调

3、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。,9/24/2022,6,Real-Time Systems Lab.,设 计 内 容(2)要求：掌握添加系统调用的方法9/24/2,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。,9/24/2022,7,Real-Time Systems Lab.,设 计 内 容(3)要求：掌握添加设备驱动程序的方法9/24,设 计 内 容(4),要求：理解和分析/pro

4、c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。,9/24/2022,8,Real-Time Systems Lab.,设 计 内 容(4)要求：理解和分析/proc文件9/24/,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。,9/24/2022,9,Real-Time Systems Lab.,设 计 内 容(5)要求：理解和掌握文件系统的设计方法9/2,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,9/24/2022,10,Real-Time Systems

5、 Lab.,内容简介设计目的9/24/202210Real-Time S,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）。,9/24/2022,11,Real-Time Systems Lab.,实施方法及要求每位同学都必须独立完成课程设计内容。9/24/,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

6、！,9/24/2022,12,Real-Time Systems Lab.,实施方法及要求（续）支持借鉴和学习已有的优秀知识！9/24/,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,9/24/2022,13,Real-Time Systems Lab.,内容简介设计目的9/24/202213Real-Time S,课程设计时间：第一、二周答疑南一楼804EMAIL：郑伟德 zhwadegmail 郑 然 zhranerhust.edu 考核系统、问答、报告,时间安排,9/24/2022,14,Real-Time Systems Lab.,课程设计时间：第一、二周时间安排9/24/20

7、2214Rea,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,9/24/2022,15,Real-Time Systems Lab.,内容简介设计目的9/24/202215Real-Time S,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,9/24/2022,16,Real-Time Systems Lab.,课程设计辅导Linux系统的相关知识9/24/202216R,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

8、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。,9/24/2022,17,Real-Time Systems Lab.,Linux系统的相关知识Linux版本9/24/202217,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

9、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。,9/24/2022,18,Real-Time Systems Lab.,Linux系统的常用目录文件目录结构树型结构9/24/2,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

10、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。,9/24/2022,19,Real-Time Systems Lab.,Linux系统的常用目录（续）/usr: 这是最庞大的目录，,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

11、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；,9/24/2022,20,Real-Time Systems Lab.,Linux系统的核心源码Linux核心源代码位于/usr/s,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CP

12、U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。,9/24/2022,21,Real-Time Systems Lab.,Linux系统的核心源码（续）Linux核心源代码中的内容还,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,9/24/2022,22,Re

13、al-Time Systems Lab.,课程设计辅导Linux系统的相关知识9/24/202222R,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,9/24/2022,23,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用Linux系统调用机制9/24/202223Re,添加系统调用（续）,Linux系统调用机制 int 0 x80 使用寄存器中适当的值跳转到内核中

14、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。,9/24/2022,24,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）Linux系统调用机制 9/24/2022,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/ent

15、ry.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,9/24/2022,25,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）与系统调用相关的内核代码文件：9/24/2,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)

16、，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 ,9/24/2022,26,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）步骤_1 添加源代码9/24/2022,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

17、_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),9/24/2022,27,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）步骤_2 连接新的系统调用 9/24/,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

18、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

19、的内核模块,9/24/2022,28,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）步骤_3 重建Linux内核配置内核的,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,9/24/2022,29,Real-Time Systems L

20、ab.,补充说明配置内核的方式9/24/202229Real-Tim,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

21、root(hd0,4)kernel /boot/bzImage ro root=/dev/hda5initrd /boot/initrd-2.4.18-3.img重启后，出现Linuxtest选项，选择它进入新的内核,9/24/2022,30,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）步骤_4 重启内核9/24/20223,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

22、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,9/24/2022,31,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）步骤_5 使用新的系统调用int ma,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 printkopen() sys_open()close() sys_close()read() sys_read()write() sys_write(),9/24/202

23、2,32,Real-Time Systems Lab.,添加系统调用（续）注意（与内容一文件拷贝的异同）：9/24/,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,9/24/2022,33,Real-Time Systems Lab.,课程设计辅导Linux系统的相关知识9/24/202233R,添加设备驱动程序,内核模块 LKM Loadable Kernel ModulesLinux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，

24、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。,9/24/2022,34,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序内核模块9/24/202234Real-Ti,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_mod

25、ule (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,9/24/2022,35,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序(续）模块的实现机制9/24/202235R,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

26、 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,9/24/2022,36,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）模块的实现机制9/24/202236R,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/

27、include -c hello.c,9/24/2022,37,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）模块编程实例 printk(he,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,9/24/2022,38,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）Linux支持的设

28、备类型9/24/20,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。,9/24/2022,39,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）设备驱动程序9/24/202239Re,添加设备驱动程序（续）,设备驱动

29、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。,9/24/2022,40,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）设备驱动程序的功能9/24/20224,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

30、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。,9/24/2022,41,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）Linux系统采用一组固定的入口点来实,添加设备驱动程序（续）,入口点采用如下数据结构实现：,9/24/2022,42,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）入口点采用如下数据结构实现： in,添

31、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

32、file_operations *fops); /向系统的块设备表登记一个块设备,9/24/2022,43,Real-Time Systems Lab.,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,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,9/24/2022,4

33、4,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）设备卸载9/24/202244Real,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。,9/24/2022,45,Real-Time Systems Lab.,典型驱动程序的结构 / 在注销模块中卸载设备 /将系统调,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

34、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,9/24/2022,46,Real-Time Systems Lab.,添加设备驱动程序（续）添加设备驱动程序的方法9/2

35、4/202,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）,9/24/2022,47,Real-Time Systems Lab.,编写应用程序，测试驱动程序添加设备驱动程序（续） if,课程设计辅导,Linux系统的相关知识以Redhat Linux 9.0为例 进程并发 添加系统调用添加设备驱动程序/proc文件分析,9/24/2022,48,Real-Time Systems Lab.,课程设计辅导Linux系统的相关知识9/24/202248R,/proc文件分析,/proc 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

36、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。系统信息 与进程无关，随系统配置的不同而不同。 命令procinfo可以显示这些文件的大量信息。进程信息 系统中正在运行的每一个用户级进程的信息。,9/24/2022,49,Real-Time Systems Lab.,/proc文件分析/proc9/24/202249Real-,/proc文件分析,系统信息/proc/cmd/line: 内核启动的命令行/proc/cpuinfo: CPU信息/proc/stat: CPU的使用情况、磁盘、页面、交换、所

37、有的中断、最后一次的启动时间等。/proc/meminfo: 内存状态的有关信息。进程信息 /proc/$pid/stat/proc/$pid/status/proc/$pid/statmetc,9/24/2022,50,Real-Time Systems Lab.,/proc文件分析系统信息9/24/202250Real-T,/proc文件分析,监控系统功能通过读取proc文件系统，获取系统各种信息，并以比较容易理解的方式显示出来。使用 GTK+ Linux下的c语言开发。具体包括： 主机名、系统启动时间、系统运行时间、版本号、所有进程信息、CPU类型、CPU的使用率、内存使用率 -参照WINDOWS的任务管理器，实现其中的部分功能。/proc文件系统的详细信息通过以下命令获取： man proc,9/24/2022,51,Real-Time Systems Lab.,/proc文件分析监控系统功能9/24/202251Real,课程设计辅导参考资料,Linux的“man”帮助书籍边干边学Linux内核指导李善平，陈文智等编著.浙江大学出版社.Linux Device Driver 2Linux内核编程网站,9/24/2022,52,Real-Time Systems Lab.,课程设计辅导参考资料Linux的“man”帮助9/24/,