[计算机软件及应用]操作系统实验指导书.doc
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1、操作系统课程实验指导书操作系统课程组 编目录操作系统课程实验指导书1操作系统课程组 编目录1目录2实验一Linux的安装与编译31.1 实验目的31.2 背景知识31.2.1 Linux简史31.2.2 内核的功能和结构51.2.3 内核源代码组织结构61.2.4 内核的功能版本和发行版81.2.5 学习Linux辅助软件介绍81.3 实验内容91.3.1 安装Ubuntu91.3.2 编译Linux内核11实验二Linux基本命令172.1 实验目的172.2 背景知识172.3实验内容17实验三 进程管理223.1 实验目的223.2 背景知识223.3实验内容223.3.1进程创建223
2、.3.2进程控制223.3.3参考程序22实验四 进程通信2541实验目的2542背景知识2543实验内容33445共享存储区通信(选做)39实验五存储管理4151实验目的4152背景知识4153实验内容41实验六文件管理5261实验目的5262背景知识5263实验内容52实验一Linux的安装与编译1.1 实验目的l 了解Linux发展历史、功能和特点。l 学习和动手安装Linux操作系统。l 学习和动手编译Linux内核。1.2 背景知识1.2.1 Linux简史1981 年IBM 公司推出享誉全球的微型计算机IBM PC。在1981-1991 年间,MS-DOS 操作系统一直是微型计算机
3、上操作系统的主宰。此时计算机硬件价格虽然逐年下降,但软件价格仍然是居高不下。当时Apple 的MACs 操作系统可以说是性能最好的,但是其天价没人能够轻易靠近。当时的另一个计算机技术阵营是Unix 世界。但是Unix 操作系统就不仅是价格贵的问题了。为了寻求高利率,Unix 经销商将价格抬得极高,PC 小用户就根本不能靠近它。曾经一度受到Bell Labs 的许可而可以在大学中用于教学的UNIX 源代码一直被小心地守卫着不需公开。对于广大的PC 用户,软件行业的大型供应商始终没有给出有效的解决该问题的手段。正在此时,出现了MINIX 操作系统,并有一本详细的书本描述它的设计实现原理。由于AST
4、 的书写的非常详细,并且叙述有条有理,几乎全世界的计算机爱好者都在看这本书以理解操作系统的工作原理。其中也包括Linux 系统的创始者Linus Benedict Torvalds。当时(1991 年),Linus Benedict Torvalds 是赫尔辛基大学计算机科学系的二年级学生,这个21 岁的芬兰年轻人喜欢鼓捣计算机,测试计算机的能力和限制。但当时缺乏的是一个专业级的操作系统。MINIX 虽然很好,但只是一个用于教学目的简单操作系统,而不是一个强有力的实用操作系统。GNU 计划和自由软件基金会(the Free Software Foundation FSF)是由Richard M
5、. Stallman 于1984 年一手创办的。旨在开发一个类似 Unix、并且是自由软件的完整操作系统:GNU 系统。(GNU 是GNUs NotUnix的递归缩写,它的发音为guh-NEW。)到1991 年,GNU 计划已经开发出了许多工具软件。最受期盼的Gnu C 编译器已经出现,但还没有开发出免费的GNU 操作系统。即使是MINIX 也开始有了版权,需要购买才能得到源代码。而GNU 的操作系统HURD 一直在开发之中,但并不能在几年内完成。对于Linus 来说,已经不能等待了。从1991 年4 月份起,他开始酝酿并着手编制自己的操作系统。刚开始,他的目的很简单,只是为了学习Intel
6、386 体系结构保护模式运行方式下的编程技术。但后来Linux的发展却完全改变了初衷。1991 年初,Linux 开始在一台386sx 兼容微机上学习minix 操作系统。通过学习,他逐渐不能满足minix系统的现有性能,并开始酝酿开发一个新的免费操作系统。根据Linus 在comp.os.minix 新闻组上发布的消息,我们可以知道他逐步从学习minix 系统到开发自己的Linux 的过程。Linus 第1 次向comp.os.minix 投递消息是在1991 年3 月29 日。题目是“gcc on minix-386 doesn optimize”,是有关gcc 编译器在minix-386
7、 上运行的优化问题,由此可知,Linus 在1991 年的初期已经开始深入研究了minix 系统,并在这段时间有了改进minix 操作系统的思想,而且在进一步学习minix 系统中,逐步演变为想自己重新设计一个基于Intel 80386 体系结构的新操作系统。他在回答有人提出minix 上的一个问题时,所说的第一句话是“阅读源代码”。他认为答案就在源程序中。这也说明了对于学习系统软件来说,你不光需要懂得系统的工作基本原理,还需要结合实际系统,学习实际系统的实现方法。因为理论毕竟是理论,其中省略了许多枝节,而这些枝节问题虽然没有太多的理论含量,但却是一个系统必要的组成部分,就象麻雀身上的一根羽毛
8、。从1991 年的4 月份开始,Linus 几乎花了全部时间研究386-minix 系统(hack the kernel),并且尝试着移植GNU 的软件到该系统上(GNU gcc、bash、gdb 等)。并于4 月13 日在comp.os.minix 上发布说自己已经成功地将bash 移植到了minix 上,而且已经爱不释手、不能离开这个shell 软件了。1.2.2 内核的功能和结构Linux 内核主要由5 个模块构成,它们分别是:进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通信模块和网络接口模块。进程调度模块用来负责控制进程对CPU 资源的使用。所采取的调度策略是各进程能够公平合理地访
9、问CPU,同时保证内核能及时地执行硬件操作。内存管理模块用于确保所有进程能够安全地共享机器主内存区,同时,内存管理模块还支持虚拟内存管理方式,使得Linux 支持进程使用比实际内存空间更多大的内存容量。并可以利用文件系统把暂时不用的内存数据块会被交换到外部存储设备上去,当需要时再交换回来。文件系统模块用于支持对外部设备的驱动和存储。虚拟文件系统模块通过向所有的外部存储设备提供一个通用的文件接口,隐藏了各种硬件设备的不同细节。从而提供并支持与其它操作系统兼容的多种文件系统格式。进程间通信模块子系统用于支持多种进程间的信息交换方式。网络接口模块提供对多种网络通信标准的访问并支持许多网络硬件。这几个
10、模块之间的依赖关系见图1.2.3 内核源代码组织结构Linux内核作为一个特殊的程序,同样需要经过编译、链接之后才能运行,仅仅是它执行时拥有特殊的权限,位于特定的空间,并且不会也不可能信赖其他的软件罢了。Linux发展至今,其内核的组织结构日渐清晰,层次日渐分明。一旦基本系统安装完毕,具有系统管理员权限的用户即可编译内核。一般来说,Linux系统内核的源码放置在/usr/src/linux目录下,它将依赖于体系结构的代码和独立于体系结构的代码分离开来(前者仅占5%,通常是一些汇编代码和局部的、针对于不同体系结构的局部处理细节,如时钟定时器频率)。为了更好地理清内核结构,下面列出了几个重要的源码
11、目录: arch目录 该目录的存放具体地依赖于体系结构实现的代码。在这个目录下,针对不同体系结构所移植的版本都有三个子目录:kernel、lib和mm。kernel子目录包含依赖于体系结构实现的一般内核功能,例如信号处理、时钟处理等。lib子目录包含库函数的本地实现,如果从依赖于体系结构的源码编译,则运行得更快。mm子目录包含存储管理实现的代码。 drivers目录 这个目录拥有50%以上的内核源码,所有的驱动程序源码均位于该目录之下。fs目录 该目录存放所有的系统支持的文件系统的实现代码。include目录 一些重要的头文件。ipc目录 处理进程间通信的全部所需的代码都放在ipc目录下。in
12、it目录 该目录存放所有系统的初始化代码,许多重要的文件,例如main.c就位于该目录下。该文件还包含了许多核心代码比如实现fork()的代码和最常执行的代码cpuidle()循环。lib目录 该目录放置内核其他部分经常所需要的代码。例如,inflate.c就放在这里,它能够在引导时解压内核并装入内存,它也知道如何解压标准PKZIP 8位压缩算法。kernel目录 许多最常调用的内核函数放在该目录下。调度器fork()和timer.c就放在这里。你还能在这个目录下找到printk.c。mm目录 该目录包含所有Linux实现虚拟内存管理的源码。net目录 所有提供网络支持的代码都放在这个目录下。
13、Document目录 该目录存放了大量的内核代码相关文档,以及用户开发和维护手册。1.2.4 内核的功能版本和发行版内核版本一般地,可以从Linux内核版本号来区分系统是否是Linux稳定版还是测试版。以版本2.4.0为例,2代表主版本号,4代表次版本号,0代表改动较小的末版本号。在版本号中,序号的第二位为偶数的版本表明这是一个可以使用的稳定版本,如2.2.5,而序号的第二位为奇数的版本一般有一些新的东西加入,是个不一定很稳定的测试版本,如2.3.1。这样稳定版本来源于上一个测试版升级版本号,而一个稳定版本发展到完全成熟后就不再发展。发行版本90年代初期Linux开始出现的时候,仅仅是以源代码
14、形式出现,用户需要在其他操作系统下进行编译才能使用。后来出现了一些正式版本。目前最流行的几个正式版本有:SUSE、RedHat、Fedora、Ubuntu1.2.5 学习Linux辅助软件介绍虚拟机 Vmware,VirtualPC和Bochs等。Linux源代码阅读工具 Source Insight1.3 实验内容1.3.1 安装UbuntuUbuntu在图形界面下安装十分方便,通过个步骤完成对安装参数的配置。选择语言选择时区,设置时间选择使用键盘键盘布局进行分区设置账号确认配置1.3.2 编译Linux内核1. 下载内核源代码http:/www.kernel.org/下载The lates
15、t stable version of the Linux kernel is: 2.6.25.7 ,点后面的“F” 按钮下载http:/www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.25.7.tar.bz2 文件。2. 在终端 su root命令切换到root权限,然后把linux-2.6.25.7.tar.bz2 文件复制到/usr/src/ 目录下。在ubuntu中不能以root身份登录界面,很奇怪3. cd 到/usr/src/ 目录下, 执行 tar -jxvf linux-2.6.25.7.tar.bz2 命令解压源代码包。就会解压到
16、/usr/src/ linux-2.6.25.7,我又把它复制到 /usr/src/ linux-2.6.25.7-widebrihgt 目录下了,/usr/src/linux-2.6.25.7-widebrihgt 挂载了一个 8G的盘。4.root用户,cd到/usr/src/ linux-2.6.25.7-widebright 目录下# make mrproper (该命令可确保源代码目录下没有不正确的.o文件 .config文件等)内核配置工具(1) make config (纯字符提示模式) (2)# make menuconfig (配置内核各选项,居于ncurse 的菜单选择模式
17、) 需要ncurse 库的支持, ubuntu中默认没有安装 需要安装一下# apt-get install libncurses5-dev(3)# make xconfig (X窗口的图形界面,配置内核各选项) xconfig基于X11, 使用qt库, 在Ubuntu中先安装qt库: # apt-get install libqt3-headers libqt3-mt-dev我是安装libncurses5-dev 之后用 menuconfig 来配置的, 都是用他默认配置,除了General setup -() Local version - append to kernel release
18、 ()这个可以在内核版本后面加上个性字符串,我输入了widebrighgt然后选最后一条,保存配置文件就行了,他会在 /usr/src/ linux-2.6.25.7-widebright 生成 .config 文件5.编译内核只需要运行 make就行了#make执行之前可以先运行make clean 清空生成的内核文件,或者编译中间有问题了,想重新编译,可以用这个先清空已经生成的内核文件我在VirtualBox虚拟机的ubuntu8.04 系统里面执行make 命令, 结果make一次花的编译时间应该在两个小时以上。注意 /usr/src/ linux-2.6.25.7-widebright
19、的剩余空间要在2.5G以上,我一开始mount到一个2G的盘,结果编译时候提示没有空间。后来重试了几次,花了很多时间,最后mount了一个8G的盘,终于编译成功了。 看他完成后,占用的控件大概在1.8G左右。这个make相当于,手工执行了一下两步:# make bzImage # make modules (编译可加载模块)其中make bzImage 将在 /usr/src/ linux-2.6.25.7-widebrihgt/arch/i386/boot 目录下生成一个名字为bzImage的内核镜像文件。 make zImage 命令其实可以生成内核镜像的,bzImage 的区别就是它是压
20、缩的。make modules 则是生产大量的 *.ko 内核文件,就是模块化的内核驱动等等吧,你不把它编译进去bzImage里面去的都会另外单独生成的一个ko文件了,以后需要的时候再由内核加载这个ko模块。6.安装内核(1)执行 make install 命令 我运行了这一步后,提示需要在GRUB menu.lst 配置文件中把 入口 点指向 /boot/vmlinuz-2.6.25.7widebright 文件。 应该是已经把上面一步生成的bzImage复制到系统的 /boot 目录去了, ls-l看一下 /boot 目录,可以已经把vmlinuz 文件链接到 vmlinuz-2.6.25
21、.7widebright 文件 System.map文件链接到 System.map-2.6.25.7widebright 文件,config 文件链接到 config-2.6.25.7widebright 文件。(2)没有看到模块的配置信息输出,所以我又执行了一下 make modules_install 命令,这个是安装模块的。这个会安装很多 ko文件,最后输出 DEPMOD 2.6.25.7widebright。不懂这个流程是什么样子的。不过在/lib/modules/ 目录下面生成了一个 2.6.25.7widebright的目录,下面 目录就是上面make modules生成的那些k
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