华中科技大学计算机学院操作系统课程设计报告

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

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指导老师：

报告时间：

计算机科学与技术学院

目录

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）windows 7上，利用虚拟机软件VMware软件搭建的linux平台：◎Ubuntu 11.10 （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

sudo passwd root

用vi编辑器修改这个文件：

sudo vi /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，sudo reboot 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-get install linux-source-3.0.0 命令，

◎下载结果是linux-source-3.0.0.tar.bz2

◎解压命令：tar –xjvf linux-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-get install build-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-get install aptitude

aptitude install build-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-dev libglib2.0-dev 等开发相关的库文件：

apt-get install gnome-core-devel

◎安装GTK核心组件：

apt-get install libgtk2.0-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("Error in argc!\n");

return 0;

}

if( (fsource=fopen(argv[1],"rb"))==NULL )

{

printf("Error in open source file!\n"); //判断源文件是否能打开和读出

return 0;

}

if( (ftarget=fopen(argv[2],"wb"))==NULL )

{

printf("Error in open target file！\n"); //判断目的文件时候能创建和写入

return 0;

}

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("Child 1# is running......\n"); //第一个子进程Child 1#

show(argc,argv,"This is Child 1#"); //调用函数显示窗口}

else

{

if((pid_2=fork())==0){

printf("Child 2# is running......\n"); //第二个子进程Child 2#

show(argc,argv,"This is Child 2#"); //调用函数显示窗口

}

else {

printf("Parent # is running......\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：

void show(int argc,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 ,My ID:%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_swapped (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 -o forkgtk forkgtk.c `pkg-config --cflags --libs gtk+-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：

asmlinkage int sys_zcycopyfile(const char* s_file, const char* t_file)

{

const int BUF_SIZE = 512;

int fin,fout;

char buf[BUF_SIZE];

int copy_count;

mm_segment_t fs; //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_file,O_RDONLY,S_IRUSR)) == -1)

{

return -1;

printk("Error in oen source file!");

}

/* 系统调用创建并打开目标文件，若失败，返回-2 */

if ((fout = sys_open(t_file,O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1)

{

return -2;

printk("Errod in open target file!");

}

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("Error in copy file!");

}

}

set_fs(fs); /* 段操作结束*/

return 0;

}

（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_zcycopyfile 347

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：

.long sys_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int 0x80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.long sys_zcycopyfile，进而在sys.c中找到具体的函数实现asmlinkage int sys_zcycopyfile(const char* s_file, const char* 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

make mrproper

②安装ncurses环境：

apt-get install libncurses5-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

make menuconfig

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

make dep

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

make clean

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:

make bzImage –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：

make modules –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sudo make modules_install 安装内核模块

sudo make install 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：

cp arch/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

mkinitramfs 3.0.69.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Previous Linux version 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 :=$(shell pwd) //PWD为当前目录

KVER :=$(shell uname -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 $(KDIR)指明跳转到内核源码目录下读取那里的Makefile；M=$(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：

#define MY_MAJOR 240 //定义设备号

int zcydriver_open(struct inode *inode, struct file *filp) //打开设备

ssize_t zcydriver_read(struct file *filp, char __user *buf,

size_t count, loff_t *f_pos) //读数据

{

sprintf(s2,"%s",s1);

if(count<12)

{

if(!copy_to_user(buf,s2,count)) { return 0; } }

else

{

if(!copy_to_user(buf,s2,strlen(s2))) { return 0; } }

return -1;

}

ssize_t zcydriver_write(struct file *filp, char __user *buf,

size_t count, loff_t *f_pos) //写数据{

if (count < 0) return -EINVAL;

if (s1 == NULL) return -ENOMEM;

if (copy_from_user(s1, buf, count+1)) return -EFAULT;

return count;

}

int zcydriver_release(struct inode *inode, struct file *filp) //释放设备struct file_operations zcydriver_fops = { // .owner = THIS_MODULE,

.open = zcydriver_open,

.read = zcydriver_read,

.write = zcydriver_write,

.release = zcydriver_release,

};