1、課程設計(綜合實驗)報告( 2015 - 2016 年度第 1 學期)名 稱： 操作系統綜合實驗 題 目： os lab綜合實驗 院 系： 計算機系 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 設計周數： 分散進行 成 績： 日期：實驗一、實驗環境的使用一、實驗目的和要求 1、 實驗名稱：實驗環境的使用。 2、 實驗目的：（1）熟悉操作系統集成實驗環境OS Lab的基本使用方法。（2）練習編譯、調試EOS操作系統內核以及EOS應用程序。3、 實驗類型：驗證性實驗。4、 實驗內容：啟動OS Lab。學習OS Lab基本使用方法。EOS內核項目的生成和調試。EOS應用程序項目的

2、生成和調試。退出OS Lab。保存EOS內核項目。二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程 1、設計思路和流程圖 （一）對于WINDOWS控制臺應用程序： （二）對于EOS內核項目： （三）對于EOS應用程序項目：2、算法實現驗證性實驗，無需算法。3、截圖 四、思考與練習1、練習使用單步調試功能（逐過程、逐語句），體會在哪些情況下應該使用“逐過程”調試，在哪些情況下應該使用“逐語句”調試。練習使用各種調試工具（包括“監視”窗口、“調用堆棧”窗口等）。答：逐語句，就是每次執行一行語句，如果碰到函數調用，它

3、就會進入到函數里面。 而逐過程，碰到函數時，不進入函數，把函數調用當成一條語句執行。 因此，在需要進入函數體時用逐語句調試，而不需要進入函數體時用逐過程調試。2、思考生成 EOS SDK 文件夾的目的和作用。查看 EOS SDK 文件夾中的內容，明白文件夾的組織結構和各個文件的來源和作用。查看 EOS 應用程序包含了 SDK 文件夾中的哪些頭文件，是如何包含的？答：EOS SDK是為應用程序調用系統API提供服務，可作為用戶編程中可使用的工具包集合。 EO

4、S SDK文件夾主要包括INC頭文件、LIB文件夾 導入庫文件和BIN文件夾 動態鏈接庫，可執行程序，二進制文件。 EOS SDK包含的頭文件有：eos.h負責導出API函數聲明；eosdef.h負責導出函數類型的定義；error.h 負責導出錯誤碼。五、實驗總結 熟悉了OS Lab實驗環境，學會了EOS操作系統內核和EOS應用程序的基本調試方法，對EOS相關項目的編程方法增加了了解。通過這次實驗，我鍛煉了動手實踐的能力，提升了對于操作系統相關知識的興趣，加深對操作系統理論知識的理解，并能將其應用到實際操作當中。實驗二、操作

5、系統的啟動一、實驗目的與要求 1、 實驗名稱：操作系統的啟動 2、 實驗目的 （1）跟蹤調試EOS在PC機上從加電復位到成功啟動的全過程，了解操作系統的啟動過程。 （2）查看EOS啟動后的狀態和行為，理解操作系統啟動后的工作方式。 3、實驗類型：驗證性實驗 4、實驗內容  調試EOS操作系統的啟動過程包括：使用Bochs做為遠程目標機;調試BIOS程序;調試軟盤引導扇區程序;調試加載程序;調試內核;查看EOS啟動后的狀態和行為二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實

6、驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、設計思路和流程圖：2、算法實現： 驗證性試驗，無算法。3、截圖四、思考與練習為什么EOS操作系統從軟盤啟動時要使用boot.bin和loader.bin兩個程序？使用一個可以嗎？它們各自的主要功能是什么？如果將loader.bin的功能移動到boot.bin文件中，則boot.bin文件的大小是否仍然能保持小于512字節？ 答：boot文件夾包含了兩個匯編文件boot.asm和loader.asm。這兩個文件生成的二進制文件boot.bin和loader.bin會被寫入軟盤鏡像文件。操作系統啟動時boot.bin和loader.bin引導

7、軟盤加載程序，二者缺一不可。使用Boot.bin的主要功能是引導軟盤；loader.bin的主要功能是加載程序。如果把loader.bin功能移動到boot.bin程序中，必然導致程序規模擴大，可能使其大于512字節。 五、實驗總結完成了調試Eos在PC機上從加復電位到成功啟動的全過程，了解了操作系統的啟動過程，對EOS啟動后的狀態和行為有了深入的了解，理解了操作系統啟動后的工作方式。不過對操作系統還存在著很多的問題，對操作系統的了解還不是很深刻，所以實驗后要深入的了解。實驗三、進程的創建一、實驗目的與要求 1、 實驗名稱：進程的創建 2、 實

8、驗目的 （1）練習使用EOS API函數CreateProcess創建一個進程，掌握創建進程的方法，理解進程和程序的區別。 （2）調試跟蹤CreateProcess函數的執行過程，了解進程的創建過程，理解進程是資源分配的單位。3、實驗類型：驗證性實驗 4、實驗內容 （1）準備實驗（2）練習使用控制臺命令創建EOS應用程序的進程（3）練習通過編程的方式讓應用程序創建另一個應用程序的進程（4）調試CreateProcess函數（5）調試PsCreateProcess函數（6）練習通過編程的方式創建應用程序的多個進程二、實驗環境 使用WINDOWS操

9、作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法 算法：驗證性實驗，不需算法。 2、截圖四、思考與練習在源代碼文件NewTwoProc.c提供的源代碼基礎上進行修改，要求使用hello.exe同時創建10個進程。提示：可以使用 PROCESS_INFORMATION 類型定義一個有 10 個元素的數組，每一個元素對應一個進程。使用一個循環創建 10 個子進程，然后再使用一個循環等待 10 個子進程結束，得到退出碼后關閉句柄。答：使用PROCESS_INFORMATION類型定義一個有10 個元素的數組，每一個元素對應一個進程。五、實驗總結本次實驗是驗證性實

10、驗，通過實驗練習創建一個進程，掌握創建進程的方法，對進程和程序的區別有了更深的理解。調試跟蹤 CreateProcess 函數的執行過程，了解到了進程的創建過程。同時，本次實驗，讓我對進程的創建有更深的理解，是我真真切切的理解到進程和程序的本質區別。學會了如何使用基本命令進行調試和運行程序。總之這讓我受益非淺。實驗四、線程的狀態與轉換一、實驗目的與要求 1、 實驗名稱：線程的狀態與轉換 2、 實驗目的 （1）調試線程在各種狀態間的轉換過程，熟悉線程的狀態和轉換。 （2）通過為線程增加掛起狀態，加深對線程狀態的理解。3、實驗類型：驗證性

11、實驗 4、實驗內容 （1）準備實驗（2）調試線程狀態的轉換過程。2.1 線程由主色狀態進入就緒狀態。2.2 線程由運行狀態進入就緒狀態。2.3 線程由就緒狀態進入運行狀態。2.4 線程由運行狀態進入阻塞狀態。（3）為線程增加掛起狀態二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法 算法：驗證性實驗，不需算法。2、截圖四、思考與練習1、思考一下，在本實驗中，當 loop 線程處于運行狀態時，EOS 中還有哪些線程，它們分別處于什么狀態。可以使用控制臺命令 pt 查看線程的狀態。2、當 loop

12、線程在控制臺 1 中執行，并且在控制臺 2 中執行 suspend 命令時，為什么控制臺 1 中的 loop線程處于就緒狀態而不是運行狀態？答：打開控制臺2時，loop線程處于活動就緒狀態，此時在控制臺2中使用掛起原語Suspend可以將該線程掛起，該線程便會轉入靜止就緒狀態。處于靜止就緒狀態的線程，不會再被調度執行，直到使用原語Resume將該線程恢復為活動就緒狀態。五、實驗總結在本次實驗過程中我了解到了各個狀態之間的轉換過程，對狀態之間的轉換有了更加深入的了解。了解到進程在就緒、阻塞、運行等狀態之間的轉換的實際運行，同時線程加入了增加了掛起狀態，從而加深了對狀態轉換的理解，對課堂上的知識有

13、了更加深入的了解。實驗五、進程的同步一、實驗目的與要求 1、 實驗名稱：進程的同步2、 實驗目的 （1）使用 EOS 的信號量，編程解決生產者消費者問題，理解進程同步的意義。（2）調試跟蹤 EOS 信號量的工作過程，理解進程同步的原理。（3）修改 EOS 的信號量算法，使之支持等待超時喚醒功能（有限等待），加深理解進程。3、實驗類型：設計并驗證性實驗 4、實驗內容 （1）準備實驗（2）使用EOS的信號量解決生產者消費者問題。（3）調試EOS信號量的工作過程。3.1創建信號量3.2等待、釋放信號量3.2.1 等待信號量（不阻塞）3.2.

14、2 釋放信號量（不喚醒）3.2.3 等待信號量（阻塞）3.2.4 釋放信號量（喚醒）（4）修改EOS的信號量算法。二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法 算法：設計并驗證性實驗，需算法。 為EOS添加時間片輪轉調度 Satus=flag; I f(Semaphore->Count>0)     Semaphore->Count-;      flag=STATUS_SUCCES

15、S;   else if(Semaphore->Count=0)  flag=PspWait(&Semaphore->WaitListHead,Milliseconds);  if(ReleaseCount>0)  Semaphore->Count+; While(!ListIsEmpty(&Semaphore->WaitListHead)&&(ReleaseCount)        

16、;PspWakeThread(&Semaphore->WaitListHead,STATUS_SUCCESS);        PspThreadSchedule();        ReleaseCount-;    Semaphore->Count=Semaphore->Count+ReleaseCount; flag=STATUS_SUCCESS;   e

17、lse printf(“Error ReleaseCount is negative!”);2、截圖四、思考與練習1、思考在 ps/semaphore.c 文件內的 PsWaitForSemaphore 和 PsReleaseSemaphore 函數中，為什么要使用原子操作？可以參考本書第 2 章中的第 2.6 節。答:在執行等待信號量和釋放信號量的時候，是不允許cpu響應外部中斷的，如果此時cpu響應了外部中斷，會產生不可預料的結果，無法正常完成原子操作。2、繪制 ps/semaphore.c 文件內 PsWaitForSemaphore 和 PsRe

18、leaseSemaphore 函數的流程圖。 五、實驗總結本次實驗是驗證類和設計類實驗，使用EOS信號量編程解決了生產者消費者問題，對進程的同步有了更深入的了解。我使用Java代碼嘗試寫了線程的同步，和進程的同步有著很大的相同。同時對進程同步的原理也有了很深的了解。后面采用修改EOS的信號量算法，來支持超時喚醒功能。實驗六、時間片輪轉調度一、實驗目的與要求 1、 實驗名稱：時間片輪轉調度2、 實驗目的 （1）調試EOS的線程調度程序，熟悉基于優先級的搶先式調度。（2）為EOS添加時間片輪轉調度，了解其它常用的調度算法。3、實驗類型：設計并驗證性實驗

19、60;4、實驗內容  （1）準備實驗 （2）閱讀控制臺命令“rr”相關的源代碼 （3）調試線程調度程序 （4）調試當前線程不被搶先的情況 （5）調試當前線程被搶先的情況 （6）為EOS添加時間片輪轉調度 （7）修改線程時間片的大小二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法以及實現代碼： 算法：存在設計步驟，需算法。 修改ps/sched.c文件中的PspRoundRobin函數(第337行)，在其中實現時間片輪轉調度算法。 實現代碼： VOID PspRoundRobin( VOID ) if(N

20、ULL!=PspCurrentThread&&Running=PspCurrentThread->State) PspCurrentThread->RemainderTicks-; if (0 = PspCurrentThread->RemainderTicks) PspCurrentThread->RemainderTicks = TICKS_OF_TIME_SLICE; if(BIT_TEST(PspReadyBitmap, PspCurrentThread->Priority) PspReadyThread(PspCurrentThread)

21、; 2、截圖四、思考與練習結合線程調度執行的時機，說明在ThreadFunction函數中，為什么可以使用“關中斷”和“開中斷”的方法來保護控制臺這種臨界資源。一般情況下，應該使用互斥信號（MUTEX）來保護臨界資源，但是在ThreadFunction函數中卻不能使用互斥信號量，而只能使用“關中斷”和“開中斷”的方法，結合線程調度的對象說明這樣做的原因。答：關中斷后CPU就不會響應任何由外部設備發出的硬中斷了，也就不會發生線程調度了，從而保證各個線程可以互斥的訪問控制臺。這里不能使用互斥信號量保護臨界資源的原因：如果使用互斥信號量，則那些由于訪問臨界區而被阻塞的線程，就會被放入互斥信號量的等待

22、隊列，就不會在相應優先級的就緒列中了，而時間輪轉調度算法是對就緒隊列的線程進行輪轉調度，而不是對這些被阻塞的線程進行調度，也就無法進行實驗了。使用“關中斷”和“開中斷”進行同步就不會改變線程的狀態，可以保證那些沒有獲得處理器的線程都在處于就緒隊列中。五、實驗總結本次實驗調試EOS的線程調度程序，熟悉了基于優先級的搶先式調度，并為EOS添加了時間片輪轉調度，了解了其他常用的調度算法。通過這次實驗，我鍛煉了動手實踐的能力，拓展了知識面，更深度的了解了時間片輪轉調度的原理以及實現機制，并能將其應用到實際操作當中。實驗八、分頁存儲器管理一、實驗目的與要求 1. 實驗名稱：分頁存儲器

23、管理2. 實驗目的 （1）學習i386處理器的二級頁表硬件機制，理解分頁存儲器管理原理。（2）查看EOS應用程序進程和系統進程的二級頁表映射信息，理解頁目錄和頁表的管理方式。（3）編程修改頁目錄和頁表的映射關系，理解分頁地址變換原理。3.實驗類型：驗證性實驗 4.實驗內容  （1）準備實驗 （2）查看EOS應用程序進程的頁目錄和頁表 （3）查看應用程序進程和系統進程并發時的頁目錄和頁表 （4）查看應用程序進程并發時的頁目錄和頁表 （5）在二級頁表中映射新申請的物理頁二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉

24、及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法 算法：驗證性實驗，不需算法。 2、截圖四、思考與練習思考頁式存儲管理機制的優缺點。優點：虛存量大，適合多道程序運行，用戶不必擔心內存不夠的調度操作，動態頁式管理提供反了內存與外存圖圖統一管理的虛存實現方式。內存利用率高，不常用的頁面盡量不留在內存。不要求作業連續存放，有效的解決了內存碎片問題。缺點：要進行頁面中斷，缺頁中斷等處理，系統開銷較大；有可能產生“抖動”現象；址變換機構復雜，一般采用硬件實現，增加了機器成本。五、實驗總結通過操作系統試驗，了解了操作系統的啟動過程 ，運行方式，加深了對計算機操作系統的理解。更深入的了解了處理器的二級頁表硬件機制，

25、理解了分頁存儲器管理原理。通過查看進程中的二級頁表映射信息，理解頁目錄和頁表的管理方式。擴展了自己的理論知識更增強了自己的動手能力。實驗十、磁盤調度算法一、實驗目的與要求 1. 實驗名稱：磁盤調度算法2. 實驗目的 （1）通過學習EOS實現磁盤調度算法的機制，掌握磁盤調度算法執行的條件和時機。（2）觀察EOS實現的FCFS、SSTF和SCAN磁盤調度算法，了解常用的磁盤調度算法。（3）編寫CSCAN和N-Step-SCAN磁盤調度算法，加深對各種掃描算法的理解。3.實驗類型：設計并驗證性實驗 4.實驗內容  （1）準備實驗 （2）驗證

26、先來先服務（FCFS）磁盤調度算法 （3）驗證最短尋道時間優先（SSTF）磁盤調度算法 （4）驗證SSTF算法造成的線程“饑餓”現象 （5）驗證掃描（SCAN）磁盤調度算法 （6）改寫SCAN算法 （7）編寫循環掃描（CSCAN）磁盤調度算法 （8）驗證SSTF、SCAN及CSAN算法中的“磁臂粘著”現象 （9）編寫N-Step-SCAN磁盤調度算法二、實驗環境 使用WINDOWS操作系統和OS Lab集成實驗環境，涉及C語言等編程語言。三、實驗過程1、算法 算法：設計并驗證性實驗，需算法。 （1）改寫SCAN算法BOOL ScanInside = TRUE; PREQUE

27、ST IopDiskSchedule( VOID ) PLIST_ENTRY pListEntry; PREQUEST pRequest; PREQUEST INpNextRequest = NULL; PREQUEST OUTpNextRequest = NULL; LONG Offset; ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF; ULONG OutsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF; PREQUEST pNextRequest = NULL; for (pListEntry = RequestListHead.N

28、ext; pListEntry != &RequestListHead; pListEntry = pListEntry->Next) pRequest = CONTAINING_RECORD(pListEntry, REQUEST, ListEntry); Offset = pRequest->Cylinder - CurrentCylinder; if (0 = Offset) pNextRequest = pRequest; goto RETURN; else if ( Offset > 0 && Offset < InsideShorte

29、stDistance ) InsideShortestDistance = Offset; INpNextRequest = pRequest; elseif ( Offset < 0 && -Offset < OutsideShortestDistance ) OutsideShortestDistance = -Offset; OUTpNextRequest = pRequest; if( ScanInside) if(INpNextRequest) return INpNextRequest; else ScanInside = !ScanInside; re

30、turn OUTpNextRequest; else if(OUTpNextRequest) return OUTpNextRequest; else ScanInside = !ScanInside; return INpNextRequest; RETURN: return pNextRequest; 編寫循環掃描（CSCAN）磁盤調度算法PREQUEST IopDiskSchedule( VOID ) PLIST_ENTRY pListEntry; PREQUEST pRequest; PREQUEST INpNextRequest = NULL; PREQUEST OUTpNextRe

31、quest = NULL; LONG Offset; ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF; ULONG OutsideShortestDistance = 0x00000000; PREQUEST pNextRequest = NULL; for (pListEntry = RequestListHead.Next; pListEntry != &RequestListHead; pListEntry = pListEntry->Next) pRequest = CONTAINING_RECORD(pListEntry, REQUE

32、ST, ListEntry); Offset = pRequest->Cylinder - CurrentCylinder; if(0 = Offset) pNextRequest = pRequest; goto RETURN; else if( Offset > 0 && Offset < InsideShortestDistance ) InsideShortestDistance = Offset; INpNextRequest = pRequest; elseif( Offset < 0 && -Offset > Outs

33、ideShortestDistance ) OutsideShortestDistance = -Offset; OUTpNextRequest = pRequest; if( INpNextRequest ) return INpNextRequest; else return OUTpNextRequest; RETURN: return pNextRequest; 編寫N-Step-SCAN磁盤調度算法PREQUEST IopDiskSchedule( VOID ) PLIST_ENTRY pListEntry; PREQUEST pRequest; PREQUEST INpNextRe

34、quest = NULL; PREQUEST OUTpNextRequest = NULL; LONG Offset; ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF; ULONG OutsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF; PREQUEST pNextRequest = NULL; ULONG counter; counter = SubQueueRemainLength; SubQueueRemainLength-; if(SubQueueRemainLength = 0) SubQueueRemainLength = S

35、UB_QUEUE_LENGTH; for (pListEntry = RequestListHead.Next; pListEntry != &RequestListHead && counter>0; pListEntry = pListEntry->Next) pRequest = CONTAINING_RECORD(pListEntry, REQUEST, ListEntry); Offset = pRequest->Cylinder - CurrentCylinder; if (0 = Offset) pNextRequest = pRequest; return pNe