尹禄-操作系统实验教案.doc

滁州学院计算机与信息工程学院

实验指导书

课程名称：
操作系统
授课教师：
尹禄
学习对象：
2012级计科
任课时间：
2014年2月-2014月6日

滁州学院计算机与信息工程学院
2014年2月

实验一：进程管理（一）
一、实验目标
1.熟悉Linux下的基本操作
2.掌握使用Shell命令去操作Linux
2.掌握vi编辑器的基本使用方法
3.掌握使用vi编辑器编辑简单的C语言程序
4.掌握gcc等Linux的开发调试环境
二、实验条件
Red hat Linux平台。
二、实验内容与教学过程
1. 课程简介（5分钟）
介绍本学期课程的课程教学目标和内容、学习方法、作业、考核方式、上课时间与地点等情况。
[教学提示]：考核方式为实验完成情况40%和考勤20%、实验报告40%。
本课程突出学生上机分析、调试和运行程序能力培养，形成良好的操作或编程风格。
2. 实验过程（80分钟）
⑴ 介绍本次实验项目指针基本操作的主要内容（2分钟）。
⑵ 回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
I.命令终端界面下的Shell命令操作
以root用户身份（用户名root密码000000）登陆，并使用“ls”,“cat”“cd”等命令来实现基本的文件操作并观察Linux文件系统的特点；
a.ls命令，查看目录下文件和子目录。
b.cd转向某个目录 如:cd /home 转向/home工作目录
c.touch新建一个文件 如touch chzu。新建一个文件chzu
d.cp命令:复制命令
在/home目录下新建一个文件chzu，将其复制到/tmp目录下。
e. mkdir新建一个目录，如:mkdir mytest
f.mv命令，移动文件或目录，重命名文件和目录
h.目录操作命令：mkdir，cd，mkdir新建一个目录，cd转向其他目录，
g.内容查看命令，cat/more/less命令的使用，显示一个文件/etc/passwd的内容，cat –n /etc/passwd（带上行号）
II. 进程管理的命令
a.利用ps命令查看当前启动的进程，其中PID代表进程号
[root@localhost root]# ps
b.top命令：查看系统当前进程的状况。
c.进程的启动与中止
手工启动：
前台启动top进程：top
后台启动top进程：top &，在转为后台执行时回返回一个进程ID，利用这个进程ID可以查看进程的执行情况。
d.kill 命令
功能：终止进程，超级用户可终止所有的进程，普通用户只能终止自己启动
的进程。
格式：kill　-9　PID
实例：首先启动一个top进程，产生进程ID号为3669的进程，然后利用ps
命令查看启动的进程有哪些，然后使用kill命令杀死进程ID号为3669的进程。
III.vi编辑器的使用
[教学提示]：vi编辑器下三种模式的切换方法为：命令模式：按Esc键；文本编辑模式：按“i”键；最后行模式：先进入命令模式，再按“：”键。
a.利用vi新建文件test，内容为：How to Read Faster.
操作步骤：
① 启动Linux后登录字符界面。
② 在Shell命令提示符后输入命令“vi test”，启动vi文本编辑器，进入命令模式。
③ 按“i”键，从命令模式转换为文本编辑模式，此时屏幕的最底边出现“—插入--”。
④ 输入上述文本内容。如果输入出错，可以使用退格键或者Delete键删除错误字符。
⑤ 按Esc键返回命令模式。
⑥ 按“：”键进入最后行模式，输入“wq”，就可以保存并且推出test文件的内容。
IV.使用vi编辑器编写C语言程序,并且使用gcc编译器编译和调试C语言程序。
操作步骤。
在vi中编写一个test1.c程序，对程序进行编译、连接、运行。
① 输入命令“mkdir mytest”，在用户当前目录下创建一个目录mytest。
② 输入命令“cd mytest”，进入刚才新建的目录mytest。
③ 输入命令“vi test1.c”，启动vi文本编辑器并打开test1.c文件。
④ 按“i”键，进入文本编辑模式，屏幕的最底边出现“—插入--”字样，
⑤ 按Esc键，将vi编辑器从插入模式转换为命令模式。
⑥ 按“：”键，进入最后行模式，输入“wq”存盘并退出vi。
⑦ 输入命令“gcc test1.c -o test1”，使用gcc编译器对test1.c文件进行编译，并生成test1可执行文件。
⑧ 输入命令“./test1”，运行test程序，屏幕显示test1.c文件的运行结果。
如果GCC编译器不可以使用的话，在”系统设置->添加和删除应用程序->开发工具gcc->更新“。根据“VM->Setting->CD”找到安装需要的镜像文件下载安装。
V.学生上机操作、运行实验内容（73分钟）
[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
复习上机操作命令，尤其要知道怎样在Linux环境编辑、编译和运行程序。

实验一：进程管理（二）
一、实验目标
1.理解进程概念以及进程和程序的区别；
2.理解进程并发执行的实质；
3.掌握解决进程同步问题的基本方法；
4.培养学生分析和设计程序的能力。
二、实验内容与教学过程
1.课程简介（5分钟）
介绍本讲实验的内容、目标、实验步骤等等。
[教学提示]：本实验为验证性实验。
2.实验过程（80分钟）
⑴介绍本次实验项目指针基本操作的主要内容（2分钟）。
⑵回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
①实验相关知识点
进程的基本概念；进程控制； 进程同步；经典进程的同步问题。
②系统调用
系统调用是一种进入系统空间的办法。通常，在OS的核心中都设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，并将它们提供给程序员使用。程序员在需要OS提供某种服务的时候，便可以调用一条系统调用命令，去实现希望的功能，这就是系统调用。因此，系统调用就像一个黑箱子一样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只是提供了调用功能的接口。
不同的操作系统有各自的系统调用方法。如windows API，便是windows的系统调用。Linux 的系统调用与之不同的是源于Linux内核代码完全公开，所以可以细致的分析出其系统调用的机制。
③系统调用和普通函数的区别
运行于不同的系统状态用户程序可以通过系统调用进入系统空间，在
核心态执行；而普通函数则只能在用户空间当中运行。
通过软中断切换由于用户程序使用系统调用后要进入系统空间，所以
需要调用一个软中断；而普通函数在被调用时则没有这个过程。
④系统调用的类型
系统调用的作用与它属在的操作系统有密切关系。根据操作系统的性质不同，它们所提供的系统调用会有一定的差异，不过对于普通操作系统而言。
⑶学生上机调试、运行实验内容（73分钟）
生产者和消费者问题:
编制一段程序，实现经典的进程同步问题生产者和消费者问题。下面程序使用共享存储区域技术实现进程通信，其中两个子进程作为消费者，一个子进程作为生产者。
实验要求：
结合理论讲解的生产者和消费者的处理模式，理解生产者和消费者问题的程序，运行程序分析其结果。试修改程序增加一个生产者。
[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
根据上机调试情况修改完成本次实验程序。

实验二：处理器调度算法模拟
一、实验目标
1.理解处理机调度的层次和调度的实质；
2.理解调度队列模型和选择调度方式和算法的准则；
3.掌握先来先服务、短作业（进程）优先、时间片轮转和优先权调度算法；
4.理解多道程序系统中处理机调度算法；
5.掌握单处理机情况下，常用处理机调度算法的模拟实现方法；
6.培养学生分析和设计程序的能力。
二、实验内容与教学过程
1.课程简介（5分钟）
介绍本讲的课程教学目标和内容、学习方法、实验步骤等等。
[教学提示]：本讲也为设计型实验。
2.实验过程（80分钟）
⑴介绍本次实验项目的基本操作内容（2分钟）。
⑵回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
在采用多道程序系统中，往往有若干个进程同时处于就绪状态。当就绪进程个数大于处理器数时，就必须依照某种策略来决定哪些进程优先占用处理器。本实验模拟在单处理器情况下的处理器调度，包括先来先服务算法、短作业优先算法、时间片轮转算法等，帮助学生加深了解处理器调度的相关知识。
例：设计一个按先来先服务调度算法实现处理机调度的程序。
进程控制块PCB的结构如下：
进程名
到达时间
服务时间

⑶学生上机调试、运行实验内容（73分钟）
本实验有两个题，学生可选择其中的一题做实验。
第一题：设计一个按时间片轮转调度算法实现处理机调度的程序。
进程控制块PCB的结构如下：
进程名
到达时间
服务时间
第二题：设计一个按高优先权优先调度算法实现处理机调度的程序。
进程控制块PCB的结构如下：
进程名
到达时间
服务时间
优先数
步骤：
①按照各种调度算法的思想，编写程序实现某种调度算法，并画出程序的流程图。
②能够实现通过键盘输入来创建进程，并将进程按照某种排序方法组织成循环链表的形式。
③编写代码模拟处理机调度算法，并将进程调度情况输出。输出格式如下：
进程名
到达时间
服务时间
开始时间
完成时间
周转时间
带权周转时间

[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
根据上机调试情况修改完成本次实验程序。

实验三：存储器管理算法模拟
一、实验目标
1.了解内存管理的主要任务；
2.理解内存管理的实现方法；
3.掌握内存分配、回收的主要算法。
二、实验内容与教学过程
1. 课程简介（5分钟）
介绍本讲课程的教学目标和内容、学习方法、实验内容等等。
[教学提示]：本实验为设计型实验。
2. 实验过程（80分钟）
⑴介绍本次实验项目存储管理的主要内容（2分钟）。
⑵回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
实验模拟通过动态分区分配管理方式来分配和回收主存的实现方法，实验中使用的数据结构主要有空闲块链表和已分配块链表，分区分配算法使用最佳适应算法，主存分配函数主要实现按照最佳适应算法的要求寻找满足要求的空闲块、修改空闲块链表、修改已分配块的链表。其中如果找到的空闲块的大于实际需要的空间，则需要分割。主存回收函数主要实现回收已分配空间，修改已分配块链表，修改空闲块链表，同时还要实现回收分区与其邻接分区的合并。
⑶学生上机调试、运行实验内容（3分钟）
①建立相关的数据结构
②初始化空闲块链表、已分配块链表；
③实现分配和回收函数。
④主函数调用
⑤现有内存分配图如下，有作业序列：作业A要求18K；作业B要求25K，作业C要求30K。要求使用最佳适应分区算法分配内存。

[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
根据上机调试情况修改完成本次实验程序。如何将多个分配算法综合起来设计一个综合系统模拟各种内存管理算法。

实验四：简单字符设备驱动程序的设计
一、实验目标
1.理解设备驱动程序的处理过程；
2.掌握Linux设备驱动程序开发的基本过程和设计方法；
3.掌握编写简单的字符设备驱动程序。
二、实验内容与教学过程
1.课程简介（5分钟）
介绍本讲实验目标、内容，以及想要得到的结果等等。
[教学提示]：本讲为验证型实验。
2.实验过程（80分钟）
⑴ 介绍本次实验项目指针基本操作的主要内容（2分钟）。
⑵ 回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。
驱动程序的功能：
①接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体的要求。
②检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
③发出I/O命令。
④及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。
⑤对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构建通道程序。
设备驱动程序的处理过程：
①将抽象要求转换为具体要求
②检查I/O设备请求的合法性
③读出和检查设备的状态
④传送必要的参数
⑤工作方式的设置
⑥启动I/O设备
Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，它与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。
通常设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。file_operations的数据结构如下：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char_user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char _user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
...
};
①open 入口点：
open函数负责打开设备、准备I/O。任何时候对设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。所以，open函数必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的。则open函数必须将设备标记成忙状态。
②close入口点
close函数负责关闭设备的操作，当最后一次使用设备完成后，调用close函数，关闭设备文件。独占设备必须标记为可再次使用。
close()函数作用是关闭打开的文件。
③read入口点
read函数负责从设备上读数据和命令，有缓冲区的I/O设备操作一般是从缓冲区里读数据。
④write入口点
write函数负责往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O设备操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符设备文件进行写操作将调用write函数。
⑤ioctl入口点
ioctl函数执行读、写之外的操作，主要实现对设备的控制。
⑶ 学生上机调试、运行实验内容（73分钟）
[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
根据上机调试情况修改完成本次实验程序。

实验五：文件系统
一、实验目标
1. 深入理解操作系统文件系统原理
2. 理解Linux的VFS文件系统管理技术
3. 理解Linux的ext2文件系统实现技术
4. 设计和实现自定义文件系统
二、实验内容与教学过程
1.课程简介（5分钟）
介绍本讲实验目标、内容，以及想要得到的结果等等。
[教学提示]：本讲为验证型实验。
2.实验过程（80分钟）
⑴ 介绍本次实验项目指针基本操作的主要内容（2分钟）。
⑵ 回顾本次实验所需理论知识点（5分钟）
Linux支持那么多文件系统，它是怎么支持的，我们已经知道了，我们还知道了具体的文件系统ext2是怎么实现的，但是那些文件系统是怎么添加上去的呢？你是不是觉得手痒痒，想自己亲自实践一次，在Linux中添加一个文件系统呢？
⑶ 学生上机调试、运行实验内容（73分钟）
实验内容：添加一个类似于ext2的自定义文件系统myext2。添加一个类似于ext2的自定义文件系统myext2。我们对myext2文件系统的描述如下：
①myext2文件系统的物理格式定义与ext2基本一致，除了myext2的magic number是0x6666，而ext2的magic number是0xEF53。
②myext2是ext2的定制版本，它只支持原来ext2文件系统的部分操作，以及修改了部分操作。
文件系统的定义和操作是完成了，但不要忘了，这样的一个文件系统如何去创建呢？我们最后还要提供一个创建myext2文件系统的工具：mkfs.myext2。
解决办法：如何实现上面提出来的要求呢？首先从添加一个完全和ext2相同的myext2开始，然后再对myext2进行雕琢，逐步达到上一小节提到的要求：先修改magic number，再修改Linux对myext2文件系统的一些操作。最后是创建文件系统的工具mkfs.myext2的完成。
[教学提示]：指导学生完成实验内容，注意发现学生实验过程中的共性问题。
3. 小结（5分钟）
对实验指导过程中发现的问题进行分析和总结，并对实验完成情况进行点评。
4. 作业
根据上机调试情况修改完成本次实验程序。