系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐報(bào)告姓 名： 王冬升 學(xué) 號(hào)： 08123228 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 計(jì)科12-1班 指導(dǎo)教師： 張 博 2015年 4月 摘 要操作系統(tǒng)和編譯原理是大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課程。在這些課程的教學(xué)教程中，容易偏重于理論的介紹，而忽視了實(shí)踐環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計(jì)是在完成C+程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)教學(xué)后所進(jìn)行的，全面綜合訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)能力關(guān)鍵字：編譯系統(tǒng)、Flex、Bison、操作系統(tǒng)、啟動(dòng)、內(nèi)存管理目 錄1 借助Flex進(jìn)行詞法分析 2 1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 2 1.2 實(shí)驗(yàn)要求 2 1.3 程序代碼 2 1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 42 借助

2、Flex/Bison進(jìn)行語(yǔ)法分析 5 2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 5 2.2 實(shí)驗(yàn)要求 52.3 程序代碼 52.4 實(shí)驗(yàn)步驟 52.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 73 Flex/Bison綜合實(shí)驗(yàn) 7 3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 7 3.2 計(jì)算器具體需要實(shí)現(xiàn)的功能 7 3.3 實(shí)驗(yàn)要求 7 3,4 程序代碼 8 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 114（操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）lib0：熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境 114.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?114.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建 114.3 GCC編譯練習(xí) 124.4 GDB調(diào)試練習(xí) 125（操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）lib1：?jiǎn)?dòng)操作系統(tǒng) 135.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?135.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 145.3 實(shí)驗(yàn)步驟 145.4 操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程 155.

3、5 實(shí)模式與保護(hù)模式 166（操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）lib2：物理內(nèi)存管理 166.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?166.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 166.3 7實(shí)驗(yàn)體會(huì) 8參考文獻(xiàn) 1借助Flex進(jìn)行詞法分析1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給定C語(yǔ)言的一個(gè)子集，具體內(nèi)容如下：1. 下面是語(yǔ)言的關(guān)鍵字： else if switch for int float return void while 所有的關(guān)鍵字都是保留字，并且必須是小寫。2. 下面是專用符號(hào)： + - * / = = != = ; , ( ) /* */3. 其他標(biāo)記是標(biāo)識(shí)符（ID） 和數(shù)字（NU ），通過(guò)下列正則表達(dá)式定義：ID = letter letter*NUM = dig

4、it digit*letter = a|.|z|A|.|Zdigit = 0|.|9 注：小寫和大寫字母是有區(qū)別的。4. 空格由空白、換行符和制表符組成。空格通常被忽略，除了它必須分開(kāi)ID、NUM 關(guān)鍵字。5. 注釋用通常的C語(yǔ)言符號(hào)/* . . . */圍起來(lái)。注釋可以放在任何空白出現(xiàn)的位置(即注釋不能放在標(biāo)記內(nèi))上，且可以超過(guò)一行。注釋不能嵌套1.2實(shí)驗(yàn)要求編寫 LEX 源文件，實(shí)現(xiàn)C 語(yǔ)言子集的詞法分析功能，最后上機(jī)調(diào)試。要求編寫一個(gè)測(cè)試程序，以給定的測(cè)試文件作為輸入，輸出運(yùn)行結(jié)果到輸出文件中1.3程序代碼Lex.l源碼:%#include #include #include int y

5、ywrap();int lineno=1;%delim t ws delim+ letter A-Za-zdigit 0-9id letter+number digit+enter nspchar (|(|)|;|=|,|+|-|*|/|=|=|!=)comment /*(*/|*)*/kwd (else|if|switch|for|int|float|return|void|while)%ws comment enter lineno+;kwd fprintf(yyout,%d行tkeywodt%sn,lineno,yytext);spchar fprintf(yyout,%d行tspcha

6、rt%sn,lineno,yytext);id fprintf(yyout,%d行tidentit%sn,lineno,yytext);number fprintf(yyout,%d行tnumbert%sn,lineno,yytext);.%int yywrap() return 1;int main(void)char infilename100;printf(輸入文件名：);scanf(%s,infilename);yyin = fopen(infilename,r);yyout = fopen(out,w);yylex();return 0;測(cè)試程序：1-1.cpp#includeusi

7、ng namespace std;int main() int a;int d=123456;float b=123.45;int e=9;a=(1+2-1)*4/2;if(ab)coutbendl;else couta=bendl;coutaendl;coutbendl;coutWelcome to c+ endl;return 0;1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出到.out文件中，截圖示例：2借助Flex/Bison進(jìn)行語(yǔ)法分析2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用附錄提供的C語(yǔ)言文法的相關(guān)參考資料，利用Yacc/Bison編寫一個(gè)C語(yǔ)言分析器。具體內(nèi)容：1) 利用語(yǔ)法分析器生成工具Bison編寫一個(gè)語(yǔ)法分析程序，

8、與詞法分析器結(jié)合能夠根據(jù)語(yǔ)言的上下文無(wú)關(guān)文法，識(shí)別輸入的單詞序列是否文法的句子2) 利用附錄提供的C語(yǔ)言文法的相關(guān)參考資料，利用Yacc/Bison編寫一個(gè)C語(yǔ)言分析器。 2.2 實(shí)驗(yàn)要求1) 編寫 Bison源文件，實(shí)現(xiàn)C 語(yǔ)言的語(yǔ)法分析功能，最后上機(jī)調(diào)試。2) 要求編寫一個(gè)測(cè)試程序，以給定的測(cè)試文件作為輸入，輸出運(yùn)行結(jié)果到輸出文件中。2.3程序代碼由于本實(shí)驗(yàn)的lex源文件和yacc源文件代碼較長(zhǎng)而且在“實(shí)驗(yàn)附錄：C語(yǔ)言相關(guān)文法”文件夾中已經(jīng)給出相關(guān)源碼的鏈接，由于報(bào)告篇幅限制不再貼出源碼Test.測(cè)試文件源碼：void main() int i = 0;int j = 0;void t1(

9、) int i = 0;typedef unsigned int uint;uint xx;uint yy;2.4實(shí)驗(yàn)步驟 1、flex -l input.lexbison -d cgrammar-new.y (產(chǎn)生頭文件和.c文件)2、comment函數(shù)調(diào)用yyinput，編譯會(huì)有鏈接錯(cuò)誤，解決方法一，將lex.yy.c中的yyinput函數(shù)定義拷貝一份到input.lex, 重命名為my_yyinput, 或者將lex.yy.c中的#ifdef _cplusplusstatic int yyinput()#elsestatic int input()#endif改為static int y

10、yinput()上述問(wèn)題出現(xiàn)的情形：詞法分析器的后綴名為.c, 而不是.cpp3、cgrammar-new.tab.c中如下程序段/*-.| yyparse. |-*/#ifdef YYPARSE_PARAM# if defined (_STDC_) | defined (_cplusplus)int yyparse (void *YYPARSE_PARAM)# elseint yyparse (YYPARSE_PARAM) void *YYPARSE_PARAM;# endif#else /* ! YYPARSE_PARAM */#if defined (_STDC_) | defined

11、(_cplusplus)intyyparse (void)#elseintyyparse () ;#endif#endif改為int yyparse () 或者 int yyparse (void)4、lex.yy.c中，將下面語(yǔ)句注釋if ( ! yyin )yyin = stdin;5、解析之前，設(shè)置yyin為輸入文件指針extern FILE *yyin;if(!(yyin = fopen(filename,r) printf(the file not existn); exit(0);2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出到.out文件中，截圖示例：3 Flex/Bison綜合實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

12、使用flex和bison開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有全部功能的桌面計(jì)算器，能夠支持變量，過(guò)程，循環(huán)和條件表達(dá)式，使它成為一個(gè)雖然短小但是具有現(xiàn)實(shí)意義的編譯器。重點(diǎn)學(xué)習(xí)抽象語(yǔ)法樹(shù)的用法，它具有強(qiáng)大而簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示分析結(jié)果3.2計(jì)算器具體需要實(shí)現(xiàn)的功能變量命名；實(shí)現(xiàn)賦值功能；實(shí)現(xiàn)比較表達(dá)式（大于、小于、等于等等）實(shí)現(xiàn)if/then/else和do/while的流程控制；用戶可以自定義函數(shù)；簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制3.3實(shí)驗(yàn)要求編寫 Flex/Bison源文件，實(shí)現(xiàn)C 語(yǔ)言的語(yǔ)法分析功能，最后上機(jī)調(diào)試。要求編寫一個(gè)測(cè)試程序：1) 首先自定義兩個(gè)函數(shù)sq和avg，sq函數(shù)使用Newton方法來(lái)迭代計(jì)算平方根；avg

13、函數(shù)計(jì)算兩個(gè)數(shù)值的平均值。2) 利用定義好的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果并顯示出來(lái)3.4程序代碼Cal.l源碼% #include cal.tab.h%option noyywrapinteger 0-9+dreal (0-9*.0-9+)ereal (0-9*.0-9+EedD+-?0-9+)real dreal|erealnl nplus +minus -times *divide /lp (rp )module %power % t ; /*skip any blanks */integer sscanf(yytext, %d, &eger); return INTEG

14、ER;real sscanf(yytext, %lf, &yylval.real);/*yylval = atof(yytext); it doesnt work under MSVSC*/ return REAL; plus return PLUS;minus return MINUS;times return TIMES;divide return DIVIDE;module return MODULE;power return POWER;lp return LP;rp return RP;nl return NL;. return yytext0;Cal.y源碼%#include #i

15、nclude %union double real; /* real value */ int integer; /* integer value */%token REAL%token INTEGER%start lines%token NUMBER NL%token PLUS MINUS TIMES DIVIDE MODULE POWER LP RP%type rexpr%type iexpr%left PLUS MINUS /*left associative */%left TIMES DIVIDE MODULE /*left associative */%left POWER%lef

16、t UNARYMINUS%lines: /* nothing */ | lines line NL | lines error NL yyerror();yyerrok; ;line : iexpr printf(%dn,$1); | rexpr printf(%lfn,$1); ;iexpr: INTEGER $ = $1; | iexpr PLUS iexpr $ = $1 + $3; | iexpr MINUS iexpr $ = $1 - $3; | iexpr TIMES iexpr $ = $1 * $3; | iexpr DIVIDE iexpr if($3) $ = $1 /

17、$3; else $ = $1; printf (stderr, %d.%d-%d.%d: division by zero, 3.first_line, 3.first_column, 3.last_line, 3.last_column); | iexpr MODULE iexpr $ = $1 % $3; | iexpr POWER iexpr $ = pow($1, $3); | MINUS iexpr %prec UNARYMINUS $ = - $2; | LP iexpr RP $ = $2; | LP iexpr error $ = $2; yyerror(missing );

18、 yyerrok; | PLUS iexpr %prec UNARYMINUS $ = $2; rexpr :REAL $ = $1; | rexpr PLUS rexpr $ = $1 + $3; | rexpr MINUS rexpr $ = $1 - $3; | rexpr TIMES rexpr $ = $1 * $3; | rexpr DIVIDE rexpr if ($3)$ = $1 / $3; else $ = $1; printf (stderr, %d.%d-%d.%d: division by zero, 3.first_line, 3.first_column, 3.l

19、ast_line, 3.last_column); | rexpr POWER rexpr $ = pow($1,$3); | LP rexpr RP $ = $2; | LP rexpr error $ = $2; yyerror(missing ); yyerrok; | MINUS rexpr %prec UNARYMINUS $ = -$2; | PLUS rexpr %prec UNARYMINUS $ = $2; | iexpr PLUS rexpr $ = (double)$1 + $3; | iexpr MINUS rexpr $ = (double)$1 - $3; | ie

20、xpr TIMES rexpr $ = (double)$1 * $3; | iexpr DIVIDE rexpr if($3) $ = (double)$1 / $3; else $ = $1; printf (stderr, %d.%d-%d.%d: division by zero, 3.first_line, 3.first_column, 3.last_line, 3.last_column); | iexpr POWER rexpr $ = pow(double)$1,$3); | rexpr PLUS iexpr $ = $1 + (double)$3; | rexpr MINU

21、S iexpr $ = $1 - (double)$3; | rexpr TIMES iexpr $ = $1 * (double)$3; | rexpr DIVIDE iexpr if($3) $ = $1 / (double)$3; else $ = $1; printf (stderr, %d.%d-%d.%d: division by zero, 3.first_line, 3.first_column, 3.last_line, 3.last_column); | rexpr POWER iexpr $ = pow($1,(double)$3); ;%void main() yypa

22、rse();int yyerror(char* msg)printf(Error: %s encountered n, msg);3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖：4（操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）lib0：熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 了解操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)環(huán)境2) 熟悉命令行方式的編譯、調(diào)試工程3) 掌握基于硬件模擬器的調(diào)試技術(shù)4) 熟悉C語(yǔ)言編程和指針的概念5) 了解X86匯編語(yǔ)言4.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建1) 在線實(shí)驗(yàn)-基于實(shí)驗(yàn)樓在線平臺(tái)2) Windows下基于MingW進(jìn)行實(shí)驗(yàn)3) Windows下基于VirtualBox or VMWare進(jìn)行實(shí)驗(yàn)4) 在MAC OS下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)5) 手動(dòng)在物理PC中安裝環(huán)境4

23、.3 GCC編譯練習(xí)采用實(shí)驗(yàn)環(huán)境：在線實(shí)驗(yàn)-基于實(shí)驗(yàn)樓在線平臺(tái)gcc示例：#includeint main(void)printf(hello!n);return 0;在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中右鍵-從模板創(chuàng)建-空文件，將上述示例代碼輸入1) 保存為hello.c打開(kāi)命令行，輸入以下命令：2) 編譯：gcc -Wall hello.c -o hello3) 執(zhí)行：./hello操作及結(jié)果截圖：4.4 GDB調(diào)試練習(xí) 1）輸入命令:gcc -o hello hello.c g進(jìn)行編譯 2）輸入命令：gdb進(jìn)入調(diào)試 3）依次輸入以下命令熟悉gdb調(diào)試file hello：進(jìn)入hello文件run：運(yùn)行hello

24、break 1：在第一行插入斷點(diǎn)next：?jiǎn)尾綀?zhí)行下一行語(yǔ)句clear 1：清除第一行的斷點(diǎn)list ：顯示hello文件的內(nèi)容quit：退出gdb調(diào)試對(duì)應(yīng)命令執(zhí)行結(jié)果截圖：GDB的其它調(diào)試命令補(bǔ)充：next ：?jiǎn)尾降匠绦蛟创a的下一行，不進(jìn)入函數(shù)。nexti ：?jiǎn)尾揭粭l機(jī)器指令，不進(jìn)入函數(shù)。step ：?jiǎn)尾降较乱粋€(gè)不同的源代碼行（包括進(jìn)入函數(shù)）。stepi ：?jiǎn)尾揭粭l機(jī)器指令他們功能各不相同，區(qū)別在于單步的“跨度”上。5（操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）lib1：?jiǎn)?dòng)操作系統(tǒng)5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟僮飨到y(tǒng)是一個(gè)軟件，也需要通過(guò)某種機(jī)制加載并運(yùn)行它。在這里我們將通過(guò)另外一個(gè)更加簡(jiǎn)單的軟件-bootloader來(lái)完成這些

25、工作。為此，我們需要完成一個(gè)能夠切換到x86的保護(hù)模式并顯示字符的bootloader，為啟動(dòng)操作系統(tǒng)ucore做準(zhǔn)備。lab1提供了一個(gè)非常小的bootloader和ucore OS，整個(gè)bootloader執(zhí)行代碼小于512個(gè)字節(jié)，這樣才能放到硬盤的主引導(dǎo)扇區(qū)中。通過(guò)分析和實(shí)現(xiàn)這個(gè)bootloader和ucore OS，讀者可以了解到：1）計(jì)算機(jī)原理CPU的編址與尋址: 基于分段機(jī)制的內(nèi)存管理CPU的中斷機(jī)制外設(shè)：串口/并口/CGA，時(shí)鐘，硬盤2）Bootloader軟件編譯運(yùn)行bootloader的過(guò)程調(diào)試bootloader的方法PC啟動(dòng)bootloader的過(guò)程ELF執(zhí)行文件的格式和

26、加載外設(shè)訪問(wèn)：讀硬盤，在CGA上顯示字符串3）ucore OS軟件編譯運(yùn)行ucore OS的過(guò)程ucore OS的啟動(dòng)過(guò)程調(diào)試ucore OS的方法函數(shù)調(diào)用關(guān)系：在匯編級(jí)了解函數(shù)調(diào)用棧的結(jié)構(gòu)和處理過(guò)程中斷管理：與軟件相關(guān)的中斷處理外設(shè)管理：時(shí)鐘5.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容lab1中包含一個(gè)bootloader和一個(gè)OS。這個(gè)bootloader可以切換到X86保護(hù)模式，能夠讀磁盤并加載ELF執(zhí)行文件格式，并顯示字符。而這lab1中的OS只是一個(gè)可以處理時(shí)鐘中斷和顯示字符的幼兒園級(jí)別OS。5.3實(shí)驗(yàn)步驟熟悉以下命令，掌握操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程：1) make(ucore.img的生成過(guò)程)2) make V=（g

27、cc把c的源代碼編譯成.o的目標(biāo)文件 ld會(huì)把這些目標(biāo)文件呢會(huì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)執(zhí)行程序，這里面會(huì)轉(zhuǎn)換成這個(gè)bootblock.out這個(gè)實(shí)際上是可以理解為是一個(gè)Bootloader一個(gè)執(zhí)行程序，第一個(gè)是Bootloader 第二叫kernel）3）啟動(dòng)系統(tǒng)：make qemu4）啟動(dòng)并調(diào)試：make debug：進(jìn)入debug模式n（執(zhí)行下一行代碼）p ph（顯示當(dāng)前值）continue(繼續(xù)執(zhí)行)ctrl+c（中斷）quit（推出5.4操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程當(dāng)X86一開(kāi)始加電時(shí)候，啟動(dòng)是實(shí)模式(實(shí)地址尋址模式)(早期的為了ss向下兼容以前的80X86一開(kāi)始啟動(dòng)是16位的實(shí)模式)第一條地址：段地址寄存器C

28、SCS和EIP結(jié)合在一起來(lái)決定它啟動(dòng)的第一條地址：按實(shí)模式的尋址方式：cs(base)基址+EIP-bios（指向bios）這個(gè)bios固件會(huì)去加載磁盤或者硬盤的第一個(gè)主引導(dǎo)扇區(qū)(即執(zhí)行0號(hào)扇區(qū) lab1中的bootloader)它完成來(lái)對(duì)我們說(shuō)的這個(gè)操作系統(tǒng) uCore的進(jìn)一步加載Bootloader的工作：1)要從實(shí)模式切換到保護(hù)模式，就是從實(shí)模式的16位的尋址空間切換到了32位的尋址空間尋址空間:從1M(物理地址=左移4位的段地址+偏移地址)變?yōu)?G，段機(jī)制可以正常工作了。對(duì)系統(tǒng)寄存器CRO（或者叫控制寄存器 ）把它的第0號(hào)bit置成1那么就意味著現(xiàn)在的系統(tǒng)我們的CPU會(huì)進(jìn)入到保護(hù)模式2

29、)就是讀取kernel 就是uCore的代碼，CS EIP的值指向我們操作系統(tǒng)內(nèi)核所在內(nèi)存中的起始點(diǎn)，之后就相當(dāng)于是把控制權(quán)交給了uCore OS去執(zhí)行5.5實(shí)模式與保護(hù)模式(1) 實(shí)模式在bootloader接手BIOS的工作后，當(dāng)前的PC系統(tǒng)處于實(shí)模式（16位模式）運(yùn)行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下軟件可訪問(wèn)的物理內(nèi)存空間不能超過(guò)1MB，且無(wú)法發(fā)揮Intel 80386以上級(jí)別的32位CPU的4GB內(nèi)存管理能力。實(shí)模式將整個(gè)物理內(nèi)存看成分段的區(qū)域，程序代碼和數(shù)據(jù)位于不同區(qū)域，操作系統(tǒng)和用戶程序并沒(méi)有區(qū)別對(duì)待，而且每一個(gè)指針都是指向?qū)嶋H的物理地址。這樣，用戶程序的一個(gè)指針如果指向了操作系統(tǒng)區(qū)域或其他用戶程序區(qū)域，并修改了內(nèi)容，那么其后果就很可能是災(zāi)難性的。通過(guò)修改A20地址線可以完成從實(shí)模式到保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換(2) 保護(hù)模式只有在保護(hù)模式下，80386的全部32根地址線有效，可尋址高達(dá)4G字節(jié)的線性地址空間和物理地址空間，可訪問(wèn)64TB（有214個(gè)段，每個(gè)段最大空間為232