2011操作系統(tǒng)課程設(shè)計

1、教學操作系統(tǒng) 教學操作系統(tǒng)有兩大類，一類是針對RISC結(jié)構(gòu)MIPS處理器的，另外一類是針對CISC結(jié)構(gòu)的the Intel IA-32 (or x86)通用處理器的。 這樣分類是因為：處理器是操作系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境中最重要的部分。 第1章 GeekOS教學操作系統(tǒng)概論 一、針對RISC結(jié)構(gòu)MIPS處理器的教學操作系統(tǒng)Nachos（Not Another Completely Heuristic Operating System）。是建立在軟件模擬的虛擬機之上的教學操作系統(tǒng)，采用MIPS R2/3000的指令集，能模擬主存、中斷、網(wǎng)絡(luò)以及磁盤系統(tǒng)等所必須的硬件系統(tǒng)，美國加州大學伯克利分校多次采用

2、該操作系統(tǒng)作為課程設(shè)計平臺。OS/161是運行在與操作系統(tǒng)無關(guān)的system/161模擬器上的，操作系統(tǒng)代碼是MIPS對應(yīng)的機器代碼。無論是Nachos還是OS/161，若學生使用Windows或Linux 開發(fā)環(huán)境的話，都需要使用交叉編譯器才能把代碼編譯成MIPS相應(yīng)的機器代碼。二、針對針對CISC結(jié)構(gòu)的Intel IA-32 (or x86)通用處理器的教學操作系統(tǒng)MINIX：是Andrew S. Tanenbaum（AST）于1987年開發(fā)的，目前主要有1.5 版和2.0 版兩個版本在使用。MINIX 系統(tǒng)是免費的，可以從許多FTP 上下載，MINIX是一個包括了虛擬內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、

3、設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)和用戶態(tài)程序等的比較完整的操作系統(tǒng)，由兩萬多行代碼組成。對于教學有點過于龐大和復(fù)雜，而且由于它已經(jīng)實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的全部基本功能，沒有留下合適的練習讓學生自己完成 GeekOS：是一個基于X86架構(gòu)的PC機上運行的微操作系統(tǒng)內(nèi)核，由美國馬理蘭大學的教師開發(fā)，是一個用C語言開發(fā)的操作系統(tǒng)， GeekOS主要用于操作系統(tǒng)課程設(shè)計，目的是使學生能夠?qū)嶋H動手參與到一個操作系統(tǒng)的開發(fā)工作中。學生可以在Linux或Unix環(huán)境下對其進行功能擴充，也可以在windows下使用Cygwin工具進行開發(fā)，且其針對進程、文件系統(tǒng)、存儲管理等操作系統(tǒng)核心內(nèi)容分別設(shè)計了7個難度逐漸增加的項目供教師選擇

4、 。出于教學目的，這個系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計簡單，卻又兼?zhèn)鋵嵱眯?，它可以運行在真正的X86 PC硬件平臺。 三、GeekOS系統(tǒng)源代碼結(jié)構(gòu) GeekOS操作系統(tǒng)源文件geekos-0.3.0.zip可以從http:/下載。 1.GeekOS系統(tǒng)源代碼結(jié)構(gòu) 2、GeekOS的設(shè)計項目 項目0：項目0要求實現(xiàn)一個內(nèi)核進程，功能是實現(xiàn)從鍵盤接收一個按鍵，并在屏幕上顯示。主要是讓學生熟悉GeekOS的編譯、運行過程，了解計算機系統(tǒng)的啟動原理。項目1：項目要求學生熟悉ELF文件格式，并編寫代碼對ELF文件進行分析，并將分析傳送給加載器。主要讓學生熟悉可執(zhí)行鏈接文件（ELF文件）的結(jié)構(gòu)，并學會加載和運行可執(zhí)行文件。

5、項目2：要求學生實現(xiàn)對用戶態(tài)進程的支持。在項目2實現(xiàn)之前，GeekOS一直使用內(nèi)核進程。對用戶態(tài)進程執(zhí)行的支持包括用戶態(tài)進程結(jié)構(gòu)的初始化、用戶進程空間的初始化、用戶進程切換和用戶程序?qū)氲取Ｔ擁椖恐?，存儲分配依然使用分段分配方式。實現(xiàn)項目2后，用戶就可以使用GeekOS提供的命令行解釋器Shell運行一些命令來執(zhí)行PFAT文件系統(tǒng)內(nèi)的用戶測試程序。項目3：要求學生改進GeekOS的調(diào)度程序，實現(xiàn)基于4級反饋隊列的調(diào)度算法（初始GeekOS系統(tǒng)僅提供了FIFO進程調(diào)度算法），并實現(xiàn)信號量，支持進程間通信。GeekOS的設(shè)計項目 項目4：要求學生實現(xiàn)分頁虛存管理，以替代在項目1和項目2中采用的分段

6、存儲管理。實現(xiàn)分頁虛存管理后。系統(tǒng)在內(nèi)存不夠的情況下就可以將部分頁調(diào)到硬盤，以釋放內(nèi)存實現(xiàn)虛擬存儲技術(shù)。項目5：要求實現(xiàn)GOSFS文件系統(tǒng)。由于GeekOS使用了虛擬文件系統(tǒng)，可以加載不同的文件系統(tǒng)，而系統(tǒng)默認加載的是PFAT只讀文件系統(tǒng)。在這個項目中，需要實現(xiàn)一個多極目錄的、可讀寫的文件系統(tǒng)。項目6：要求為文件系統(tǒng)增加訪問控制列表，并使用匿名半雙工管道實現(xiàn)進程間通信。GeekOS的設(shè)計項目一、GeekOS系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試環(huán)境在Windows下使用Cygwin模擬Linux的開發(fā)環(huán)境；在PC機上直接安裝Linux進行開發(fā)調(diào)試；在虛擬機上安裝Linux進行開發(fā)調(diào)試 ； 建議使用后兩種環(huán)境進行項目開發(fā)

7、，會減少許多不必要的困難， Linux最好使用red hat 9.0版本。第2章 課程設(shè)計環(huán)境 Bochs/GeekOSGeekOS編譯環(huán)境計算機硬件Windows操作系統(tǒng)VMware (硬件模擬器)Linux操作系統(tǒng)GeekOS計算機硬件Windows操作系統(tǒng)BOCHS(硬件模擬器)GeekOSGeekOS運行環(huán)境計算機硬件Linux操作系統(tǒng)BOCHS(硬件模擬器)GeekOS計算機硬件Linux操作系統(tǒng)GeekOS 二、GeekOS開發(fā)的工具軟件 GNU gcc編譯器：用來編譯C語言程序代碼 (Linux系統(tǒng)自動安裝)NASM匯編器：用來編譯匯編語言程序代碼 (Linux系統(tǒng)不會自動安裝，

8、在安裝時需要選取)GNU gdb調(diào)試器：用來查找程序代碼錯誤 (Linux系統(tǒng)自動安裝)Bochs PC模擬器：用來運行GeekOS系統(tǒng) (在Linux系統(tǒng)或windows系統(tǒng)中需要下載軟件獨立安裝)Source Insight : 程序編輯器和代碼瀏覽器 (在windows系統(tǒng)中需要下載軟件獨立安裝)GeekOS運行于Windows(或Linux)下的Bochs PC模擬器，Bochs 是用 C+ 開發(fā)的可移植的 IA-32 (x86) PC 模擬器，它包括對 Intel x86 CPU 、通用 I/O 設(shè)備和可定制的 BIOS 的模擬,幾乎可以運行在所有流行的平臺上。目前， Bochs 可

9、以模擬 386, 486, Pentium Pro 或者 AMD64 CPU 。Bochs 的模擬環(huán)境中也可以運行大部分的操作系統(tǒng)，包括 Linux, Windows 95, DOS, Windows NT 4, FreeBSD, MINIX 等。 Bochs 由 Kevin Lawton 創(chuàng)建，此項目當前仍由他維護。 三、Bochs PC 模擬器 1、Bochs安裝和使用bochs有Linux和Windows等不同環(huán)境的軟件安裝包，用戶根據(jù)操作系統(tǒng)平臺下載相應(yīng)的版本。如果用戶選擇在Cygwin中開發(fā)調(diào)試則選擇Windows版本下載。在Windows系統(tǒng)下安裝Bochs非常簡單，直接運行安裝軟

10、件，按提示操作就可完成。在Linux系統(tǒng)中需先解壓軟件包，然后再配置編譯生成系統(tǒng)文件。推薦使用的Bochs 版本是2.0以上，版本2.1.1可以很好的運行GeekOS。為了模擬一臺計算機執(zhí)行一個操作系統(tǒng)軟件，bochs需要幾個文件來代替PC機硬件的不同部分：bochs模擬器程序本身BIOS-bochs-lastest模擬bochs硬件的BIOS。VGABIOS-lgpl-lastest模擬bochs顯示系統(tǒng)的BIOS。bochsrc.txt描述模擬器硬件配置的配置文件。disk image(.img)包含了一個模擬器能引導(dǎo)的操作系統(tǒng)鏡像 2、 Bochs系統(tǒng)文件運行GeekOS的Bochs配置

11、文件舉例vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latestromimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest, address=0 xf0000megs: 8boot: cfloppya: 1_44=fd.img, status=inserted#floppya: 1_44=fd_aug.img, status=insertedlog: ./bochs.outkeyboard_serial_delay: 200floppy_command_delay: 500vga_update_interval: 300000ips:

12、 1000000mouse: enabled=0private_colormap: enabled=0i440fxsupport: enabled=0一、make工具簡介無論是在Linux還是在UNIX環(huán)境中，make都是一個非常重要的系統(tǒng)開發(fā)工具。利用make工具，可以將大型的開發(fā)項目分解成為多個更易于管理的模塊，對于一個包括幾百個源文件的應(yīng)用程序，使用make和makefile工具就可以簡潔明快地理順各個源文件之間紛繁復(fù)雜的相互關(guān)系。 make能夠按照規(guī)則自動完成編譯工作，并且可以只對程序員在上次編譯后修改過的文件進行編譯，減少重復(fù)編譯的工作量。 它就是字符操作方式下的項目管理工具。第3章

13、 make工具 makefile文件內(nèi)容 Make文件包含五方面的內(nèi)容,即具體規(guī)則、隱含規(guī)則、宏定義、指令和注釋。下面分別對它們進行說明：具體規(guī)則：用于闡述什么時間或怎樣重新生成稱為規(guī)則目標的一個或多個文件。隱含規(guī)則：用于闡述什么時間或怎樣重新生成同一個文件名的一系列文件。宏宏定義：為一個宏賦一個固定的字符串值，從而在以后的文件中能夠用該宏代替這個字符串。指令：make根據(jù)makefile文件執(zhí)行一定任務(wù)的命令。 （1）讀其它makefile文件（如果包括）。（2）根據(jù)變量的值判定是否使用或忽略makefile文件的部分內(nèi)容。（3）定義多行變量，即定義變量值可以包含多行字符的變量。以“”開始的

14、行是注釋行，注釋行在處理時將被make命令忽略， makefile規(guī)則 targets . : dependencys . command . . targets是一個目標文件或一組目標文件，可以是中間目標文件，也可以是執(zhí)行文件。還可以是一個標簽（Label），對于標簽這種特性，在下面會有解釋。 dependencys就是用來說明要生成對應(yīng)targets所需要的文件或是目標，即由哪些源文件來生成mand就是make需要執(zhí)行的命令（任意的Shell命令），每一個命令必須以Tab鍵開始，不能用空格符號替代。它是用來說明如何生成targets。 每一次執(zhí)行make命令時，如果d

15、ependencys中有一個以上的文件比target文件要新的話，command所定義的命令就會被系統(tǒng)執(zhí)行，否則表示目標文件原來已經(jīng)生成，并且是最新的，command命令不再執(zhí)行。 Makefile文件示例 edit : main.o kbd.o cc -o edit main.o kbd.o main.o : main.c defs.h cc -c main.c kbd.o : kbd.c defs.h command.h cc -c kbd.c clean : rm edit main.o kbd.omake工作原理 在默認的方式下，只要輸入make命令就可以工作。具體的處理過程如下：(1

16、)make會在當前目錄下找文件名為“Makefile”或“makefile”的文件。 (2)如果找到，它會找文件中的第一個目標文件（target），在上面的例子中，它會找到“edit”這個文件，并把這個文件作為最終的目標文件。 (3)如果edit文件不存在，或是edit所依賴的后面的.o文件的修改時間要比edit這個文件新，那么，就會執(zhí)行后面所定義的命令來生成edit這個文件。 (4)如果edit所依賴的.o文件也不存在，那么make會在當前文件中找目標為.o文件的依賴性，如果找到則再根據(jù)那一個規(guī)則生成.o文件（這有點像一個堆棧的過程）。 (5)如果指定的C文件和H文件是存在的， make會生

17、成.o文件，然后再用.o文件生成make的最終任務(wù)，也就是鏈接生成執(zhí)行文件edit。 在GeekOS中， makefile文件具體功能如下：指定GeekOS如何被編譯，哪些源文件被編譯，哪些用戶程序被編譯等等。通常不同項目的編譯僅僅需要修改這一部分。定義了編譯GeekOS要用到的工具程序。指定規(guī)則：描述系統(tǒng)如何編譯源程序。指定系統(tǒng)編譯生成的指定文件 。 GeekOS的makefile文件功能 GeekOS項目開發(fā)流程 開始一個GeekOS項目，第一步是添加相應(yīng)的代碼 。在Linux下利用make命令編譯系統(tǒng)，生成系統(tǒng)鏡像文件。$ cd /project0/build$ make depend$ make 編寫每個項目相應(yīng)的Bochs的配置文件。運行Bochs模擬器，執(zhí)行Geek