华中科技大学计算机学院操作系统课程设计报告1.docx
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华中科技大学计算机学院操作系统课程设计报告1
华中科技大学
嵌入式操作系统课程设计实验报告
院系:
计算机科学与技术学院
专业:
班级：
姓名：
指导老师：
报告时间：
计算机科学与技术学院
1.课程设计目的…………………………………………………………3
2.课程设计环境搭建……………………………………………………3
3.内容一：
熟悉和理解Linux编程环境
3.1内容要求……………………………………………………………………5
3.2设计过程及实现……………………………………………………………5
4.内容二：
掌握添加系统调用的方法
4.1内容要求……………………………………………………………………9
4.2设计过程及实现……………………………………………………………9
5.内容三：
掌握添加设备驱动程序的方法
5.1内容要求…………………………………………………………………17
5.2设计过程及实现…………………………………………………………17
6.内容四：
理解和分析/proc文件
6.1内容要求…………………………………………………………………22
6.2设计过程及实现…………………………………………………………22
1课程设计目的
（1）掌握Linux操作系统的使用方法；
（2）了解Linux系统内核代码结构；
（3）掌握实例操作系统的实现方法。
2课程设计环境搭建
（1）windows7上，利用虚拟机软件VMware软件搭建的linux平台：
◎Ubuntu11.10（安装包：
ubuntu-11.10-desktop-i386）
◎内核：
linux-headers-3.0.0-12-generic
（2）更改root登录：
在现阶段Ubuntu的系统中，是不允许直接以root身份登录系统的，但是在做课设的过程中，需要大量的使用root权限来进行命令的操作。
如果以普通用户登录ubuntu，会连编辑一个文件都非常周折。
为此，我找到了一种修改系统文件，以达到直接使用root身份登录的方法：
◎开始的时候，只能以普通用户登录，用Ctrl+Alt+T打开终端：
初始化/修改root密码
sudopasswdroot
用vi编辑器修改这个文件：
sudovi/etc/lightdm/lightdm.conf
在文件最后加入这么一行代码：
greeter-show-manual-login=true
然后保存退出，sudoreboot重启系统。
之后就可以输入root用户登录。
（3）在添加系统调用中用到的其他内核包：
◎下载和当前实验环境最为接近的系统版本（这点很重要）
使用apt-getinstalllinux-source-3.0.0命令，
◎下载结果是linux-source-3.0.0.tar.bz2
◎解压命令：
tar–xjvflinux-source-3.0.0.tar.bz2–C/usr/src
◎解压后，在/usr/src目录下得到内核文件夹linux-source-3.0.0
（4）在调用linux图形库时需要安装GTK环境：
◎安装gcc/g++/gdb/make等基本编程工具
apt-getinstallbuild-essential
Tip：
如果提示由于依赖项不能安装，需要使用apt的强化版aptitude，这个工具可以自动分析软件包依赖，系统一般不自带，需要先安装，具体过程是：
apt-getinstallaptitude
aptitudeinstallbuild-essential
aptitude这个工具很强大，对于解决软件包安装时的依赖问题很有帮助。
◎安装libgtk2.0-devlibglib2.0-dev等开发相关的库文件：
apt-getinstallgnome-core-devel
◎安装GTK核心组件：
apt-getinstalllibgtk2.0-dev
这个安装完成后，GTK环境就基本搭建成功，网上有些教程说要安装其他配置文件，经我亲测，发现只要安装libgtk2.0-dev这个包就能搞定。
3内容一：
熟悉和理解Linux编程环境
3.1内容要求
（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运行；
3.2设计过程及实现
（1）文件拷贝：
①文件的拷贝主要的思想就是利用文件指针操作，在两个文件之间进行按字符的fget和fput。
从而完成整个文件的拷贝操作。
在这个基本功能之外，需要增加程序的健壮性，具体有以下几个方面：
·源文件是否存在且能读取数据；
·是否能创建目的文件，且能向里面写入数据；
·程序需要的argc参数个数是否满足要求；
②基于以上几点和内容要求，主要的程序段如下：
if（argc!
=3）//判断参数个数是否为3，否则返回
{
printf（"Errorinargc!
\n"）;
return0;
}
if（（fsource=fopen（argv[1],"rb"））==NULL）
{
printf（"Errorinopensourcefile!
\n"）;//判断源文件是否能打开和读出
return0;
}
if（（ftarget=fopen（argv[2],"wb"））==NULL）
{
printf（"Errorinopentargetfile！
\n"）;//判断目的文件时候能创建和写入
return0;
}
while（（c=fgetc（fsource））!
=EOF）
{
fputc（c,ftarget）;//按字符读取和写入数据
}
③执行结果如下：
将source/source.txt文件拷贝到到target.txt,开始时如下图3-1所示：
图3-1复制开始前source/source.txt文件内容
利用mycopy程序复制，查看target.txt文件复制结果如下图3-2所示：
图3-2复制后target.txt文件的具体内容
（2）实现三个进程之间的并发程序：
这里需要用到课程实验时的fork（）程序以及GTK的图形显示。
①基本fork（）程序，调用显示一个父进程和两个子进程的结构如下：
if（（pid_1=fork（））==0）
{
printf（"Child1#isrunning......\n"）;//第一个子进程Child1#
show（argc,argv,"ThisisChild1#"）;//调用函数显示窗口
}
else
{
if（（pid_2=fork（））==0）{
printf（"Child2#isrunning......\n"）;//第二个子进程Child2#
show（argc,argv,"ThisisChild2#"）;//调用函数显示窗口
}
else{
printf（"Parent#isrunning......\n"）;//父进程Parent#
//由于父进程需要显示全部子进程PID，所以这里直接用参数画窗口
}
}
②调用GTK显示窗体函数模块的结构：
voidshow（intargc,char*argv[],char*title）{
gtk_init（&argc,&argv）;//初始化工具包并且获取命令行参数;
window=gtk_window_new（GTK_WINDOW_TOPLEVEL）;//创建新的窗口;
//设定窗口的位置;
gtk_window_set_position（GTK_WINDOW（window）,GTK_WIN_POS_CENTER）;
//监听窗口的destroy事件;
g_signal_connect（G_OBJECT（window）,
"destroy",G_CALLBACK（destroy_progress）,NULL）;
gtk_window_set_title（GTK_WINDOW（window）,title）;//用来设定更改窗口标题;
gtk_container_set_border_width（GTK_CONTAINER（window）,20）;//设定宽度;
//使用gtk_vbox_new函数建立纵向组装盒;
//为了显示构件，必须将构件放入组装盒中,并将组装盒放在窗口内;
vbox=gtk_vbox_new（FALSE,10）;
gtk_container_set_border_width（GTK_CONTAINER（vbox）,100）;//设定宽度;
gtk_container_add（GTK_CONTAINER（window）,vbox）;
gtk_widget_show（vbox）;
//使用gtk_box_pack_start函数将构件放到组装盒中;
sprintf（id_char,"%s,MyID:
%d",title,getpid（））;//显示PID号
label=gtk_label_new（id_char）;
gtk_box_pack_start（GTK_BOX（vbox）,label,FALSE,FALSE,10）;
gtk_widget_show（label）;
sprintf（id_char,"父进程ID:
%d",getppid（））;//显示PPID号
label=gtk_label_new（id_char）;
gtk_box_pack_start（GTK_BOX（vbox）,label,FALSE,FALSE,10）;
gtk_widget_show（label）;
button=gtk_button_new_with_label（"close"）;//关闭窗口按钮
//信号登记函数,监听按钮的clicked事件。
//当窗口clicked时，gtk_widget_destroy就会被调用。
//而gtk_widget_destroy函数又调用gtk_main_quit（）结束程序运行。
g_signal_connect_s（G_OBJECT（button）,"clicked",G_CALLBACK（gtk_widget_destroy）,window）;
gtk_box_pack_start（GTK_BOX（vbox）,button,FALSE,FALSE,10）;
GTK_WIDGET_SET_FLAGS（button,GTK_CAN_DEFAULT）;
gtk_widget_grab_default（button）;
//函数显示窗口中的组件
gtk_widget_show（button）;
gtk_widget_show（window）;
//准备将窗口和所有的组件显示在屏幕上，函数必须在GTK程序的最后调用.
gtk_main（）;
}
③编译代码forkgtk.c，运行；
编译命令为：
gcc-oforkgtkforkgtk.c`pkg-config--cflags--libsgtk+-2.0`
程序运行结果如下图3-3所示：
图3-3三个并行显示窗口
4.内容二：
掌握添加系统调用的方法
4.1内容要求
（1）采用编译内核的方法，添加一个新的系统调用。
（2）编写一个应用程序，测试新添加的系统调用。
（3）系统调用的功能：
文件拷贝。
4.2设计过程及实现
在这一个部分，投入了比较多的时间。
总结起来，主要有这么几个方面：
·linux内核版本的不同，linux2.X和linux3.X直接添加系统调用和重新编译内核的方法有差异，甚至linux2.X之间，内核文件也有变化。
·再加上相关资料的步骤和方法不尽相同，甚至还有互斥的步骤，这就使得这个推进比较漫长。
我之前的Ubuntu版本是13.04，后来发现因为是64位的，行不通，只好换了一个低版本的Ubuntu11.10,经过自己的实际工作，下面是在运行成功之后，总结的一个过程。
（环境和内核配置见本报告第二部分）
（1）修改Makefile文件，修改系统版本后缀：
如下图4-1所示：
这里加的是本人的姓名的首字母，以示区分。
图4-1修改Makefile文件版本
（2）修改/usr/src/linux-source-3.0.0/kernel/目录下的sys.c文件，在最后加入新的系统调用，拷贝函数实现。
如下所示：
asmlinkageintsys_zcycopychar*s_file,constchar*t_file）
{
constintBUF_SIZE=512;
intfin,fout;
charbuf[BUF_SIZE];
intcopy_count;
mm_segment_tfs;//段操作的初始化
fs=get_fs（）;
set_fs（get_ds（））;
/*系统调用打开源文件，若失败，返回-1*/
if（（fin=sys_open（s_））==-1）
{
return-1;
printk（"Errorinoensourcefile!
"）;
}
/*系统调用创建并打开目标文件，若失败，返回-2*/
if（（fout=sys_open（t_|O_CREAT|O_TRUNC,S_IRUSR|S_IWUSR））==-1）
{
return-2;
printk（"Errodinopentargetfile!
"）;
}
while（copy_count=sys_read（fin,buf,BUF_SIZE））
{/*拷贝文件，若失败，返回-3*/
if（copy_count==-1||sys_write（fout,buf,copy_count）==-1）
{
return-3;
printk（"Errorincopyfile!
"）;
}
}
set_fs（fs）;/*段操作结束*/
return0;
}
（3）修改/usr/src/linux-source-3.0.0/arch/x86/include/asm/文件夹下面头文件：
unistd_32.h，在文件的系统调用号部分添加一个新的系统调用,具体添加行如下：
#define__NR_sys_zcycopy
同时把下面的总调用号加1，变成348。
具体截图如下图4-2所示。
图4-2添加系统调用号
（4）修改/usr/src/linux-source-3.0.0/x86/kernel/syscall_table_32.s，①加入新的一行：
.longsys_zcycopyfile/*347*/
②具体实现如下图4-3所示：
图4-3填写系统调用入口表
③当用户程序需要系统提供服务的时候，比如347号调用sys_zcycopyfile,就会通过系统调用产生一个int0x80的软中断，就会进入到系统调用的入口函数，找到这个调用函数表查找入口函数，也就是这里的.longsys_zcycopyfile，进而在sys.c中找到具体的函数实现asmlinkageintsys_zcycopychar*s_file,constchar*t_file），从而实现系统调用。
（5）配置内核：
（先cd到下载的新的内核包）
①净化解压后的源代码
makemrproper
②安装ncurses环境：
apt-getinstalllibncurses5-dev
ncurses是一个能提供基于文本终端窗口功能的动态库,提供字符终端处理库，包括面板和菜单。
③对内核选项进行配置
makemenuconfig
执行命令之后，会弹出一个框，提示对内核裁剪或配置。
这次用不到变化内核模块，直接用键盘方向键选项就行了。
④建立模块间的依赖信息
makedep
这一步正常情况会提示用户多此一举
⑤删除配置时留下的一些不用的文件
makeclean
这一步一般没动作，除非是失败后再次编译内核时要用到。
（6）编译内核：
①编译内核文件bzImage:
makebzImage–j9
这一步耗费的时间比较长，所以加了一个-j9，这种方法使用多线程编程，实际使用时发现能很大的提高效率。
（这个视CPU而定，要看CPU最多支持几个线程）
②编译内核模块：
makemodules–j9
（7）安装内核
经过最麻烦的编译内核，接下来的安装内核就显得容易多了，输入命令
sudomakemodules_install安装内核模块
sudomakeinstall安装内核
同样，如果嫌时间太慢的话，同样可以在最后加上–j9
（8）环境修改：
接下来主要是将编译安装生成的操作系统让系统引导程序“知道”，具体过程如下图4-4所示：
图4-4环境修改
具体如下：
①复制内核到boot目录：
cparch/i386/boot/bzImage/boot/vmlinuz-3.0.69.zcy
可利用Tab快速补全路径和文件，这样方便又不容易出错。
②建立要载入ramdisk的映像文件
mkinitramfs3.0.69.zcy-o/boot/initrd.img-3.0.69-zcy
③更新启动项文件grub2.conf，直接输入命令update-grub2就行。
（9）最后需要修改/boot/grub/目录下grub.cfg文件；
进入文件之后，按Ctrl+F查找timeout，将所有的timeout数值改为100；这个数值的单位是秒，这么做的目的是修改启动项的暂停时间，以便让用户有足够的时间选择要进入的操作系统。
（10）重启，进入新系统：
启动项如下图4-5所示：
图4-5系统启动项
※原版本内核比新内核小，入口在PreviousLinuxversion目录下，如下图4-6所示：
以上做的工作相当于在添加新的系统调用的同时还更新了系统。
图4-6旧的系统入口显示
（11）进入新系统之后，输入命令uname–a/-r查看系统新版本：
执行情况如下图4-7所示。
可知已经成功的进入到修改后的新内核3.0.69.zcy
图4-7显示新内核信息
（12）编写测试程序zcopy.c，如下图4-8所示：
图4-8测试程序，检测新的第347号系统调用
（13）编译运行，生成执行文件。
然后看执行程序是否可以实现文件的拷贝，执行结果如下图4-9和图4-10所示，可看到已经成功的实现了预计的功能。
图4-9执行程序
图4-10程序执行显示结果
5.内容三：
掌握添加设备驱动程序的方法
5.1内容要求
（1）采用模块方法，添加一个新的设备驱动程序。
（2）要求添加字符设备的驱动。
（3）编写一个应用程序，测试添加的驱动程序
5.2设计过程及实现
（1）Linux内核中的设备驱动程序是一组常驻内存的具有特权的共享库，是低级硬件处理例程。
对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。
Linux支持3种设备：
字符设备、块设备和网络设备。
设备由一个主设备号和一个次设备号标识。
主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。
次设备号仅由设备驱动程序解释,一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉及到的那个设备。
一个典型的驱动程序,大体上可以分为这么几个部分:
①注册设备：
在系统初启,或者模块加载时候,必须将设备登记到相应的设备数组,并返回设备的主设备号；
②定义功能函数：
对于每一个驱动函数来说，都有一些和此设备密切相关的功能函数。
以最常用的块设备或者字符设备来说，都存在着诸如open（）、read（）这一类的操作。
当系统调用这些调用时，将自动的使用驱动函数中特定的模块。
来实现具体的操作；
③卸载设备：
在不用这个设备时,可以将它卸载，主要是从/proc中取消这个设备的特殊文件。
（2）编写Makefile文件如下：
ifneq（$（KERNELRELEASE）,）
obj-m:
=zcydriver.o//obj-m表示编译连接后将生成zcydriver.o模块
else
PWD:
=$（shellpwd）//PWD为当前目录
KVER:
=$（shelluname-r）//KVER为当前系统内核版本
KDIR:
=/lib/modules/$（KVER）/build
all:
$（MAKE）-C$（KDIR）M=$（PWD）//调用内核模块编译
clean:
#rm-f*.cmd*.o*.mod*.ko
rm-rf.*.cmd*.o*.mod.c*.ko.tmp_versions
#$（MAKE）-C$（KDIR）M=$（PWD）clean
endif
调用Makefile文件之后，其具体过程如下：
①KERNELRELEASE是在内核源码的顶层Makefile中定义的一个变量，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义，所以make将读取执行else之后的内容；
②如果make的目标是clean，直接执行clean操作，然后结束。
③当make的目标为all时，-C$（KDIR）指明跳转到内核源码目录下读取那里的Make$（PWD）表明然后返回到当前目录继续读入、执行当前的Makefile。
④当从内核源码目录返回时，KERNELRELEASE已被定义，内核的build程序Kbuild也被启动去解析kbuild语法的语句，make将继续读取else之前的内容。
⑤else之前的内容为kbuild语法的语句，指明模块源码中各文件的依赖关系，以及要生成的目标模块名。
（3）编写设备功能函数：
（zcydriver.c）
函数框架如下所示：
#defineMY_M
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