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操作系统课程设计指导书梁红兵赵伟华-2-2013年2月计算机学院目录第一章操作系统课程设计的内容与实施方法............................................-3-1.1操作系统课程设计总体要求............................................................-3-1.2操作系统课程设计的内容................................................................-3-1.3操作系统课程设计实施方案............................................................-4-第二章基于DOS的多任务系统的实现......................................................-6-2.1设计目的和内容要求........................................................................-6-2.2线程描述..........................................................................................-7-2.3线程的创建和撤消........................................................................-10-2.4线程调度设计................................................................................-13-2.5基本实例程序的实现....................................................................-31-2.6线程的阻塞和唤醒........................................................................-35-2.7线程的同步与互斥..........................................................................-36-2.8利用消息缓冲队列通信机制实现线程间通信..............................-37-第三章简单文件系统的实现....................................................................-43-3.1设计目的和内容要求........................................................................-43-3.2预备知识............................................................................................-45-3.3实例系统的设计与实现.....................................................................-49--3-操作系统课程设计第一章操作系统课程设计的内容与实施方法1.1操作系统课程设计总体要求１．遵守机房纪律，服从机房调度。２．课程设计的设计和上机调试要求独立完成，不能拷贝。３．上机前，努力准备上机内容，并预先作一些情况分析。４．仔细观察上机时出现的各种现象，记录上机的结果。５．认真书写课程设计报告。报告中应包括：课程设计的目的及要求、程序的设计思想及流程图、程序调试中遇到的问题及分析、程序代码清单和结果分析；程序的不足之处及修改方案等。程序要带注释。1.2操作系统课程设计的内容本次课程设计共设置了以下两个题目：-4-1．基于DOS的多任务系统的实现DOS系统是一个典型的单用户单任务操作系统。“基于DOS的多任务系统的实现”的基本设计思想是设计一个运行在DOS系统中的应用程序，该应用程序能实现多线程机制，即能完成所有与线程管理有关的工作，包括线程创建与撤销、线程阻塞与唤醒、线程互斥与同步、线程调度、线程通信等。我们利用这些功能创建多个线程，并调度这些线程在CPU上并发执行，每个线程执行一个函数完成指定的功能。2．简单文件系统的实现文件系统是操作系统内核中非常重要的组成部分之一。一个相对完整的文件系统应该具备以下几个方面的功能：磁盘存储空间管理、目录管理、文件读写管理、文件保护与共享。由于对磁盘的存取操作必然涉及到磁盘驱动程序设计，为了降低设计难度，本实验的基本设计思想是在内存中申请一块存储空间作为虚拟磁盘，在其上建立一个类似于FAT的文件系统，所有对文件系统的操作都是在该虚拟磁盘空间中进行。为了保存该文件系统中的内容，如我们创建的目录、文件等，在退出文件系统的使用之前必须将整个虚拟磁盘上的内容以一个文件的形式全部保存到系统真正的磁盘上；以后想再次使用该文件系统时又必须首先从磁盘上读入这个文件的内容到内存中的虚拟磁盘上，然后才能继续使用。1.3操作系统课程设计实施方案操作系统是计算机系统中最核心最重要的一组软件集合，用来控制系统中的所有硬件及其他软件的运行，各程序模块内部的控制流程及相互间的接口都很复杂。本课程设计虽然只是实现其中的一部分功能，但对学生的综合要求依然较高，既要求对原理知识的综合掌握，又要求具有一定的C语言编程能力，特别是“基于DOS的多任务系统的实现”这个题目，由于要利用TurboC的interrupt类型的函数来实现线程切换过程中的线程运行现场及环境信息的自动保存及恢复，因此程序开发工具是采用字符型界面的TurboC。而不同学生在编程能力上存在差异，且大多数学生对字符型界面的开发平台存在畏惧心理，为了达到因材施教的目的，保证每个学生都能根据自己的实际情况参与到课程设计过程中，我们开发设计了一个可视化的操作系统课程设计平台软件（该平台软件的使用方法见后面-5-第三篇内容），该软件系统最大的特点是提供了模块式替换功能，即将每个课程设计题目的内容分解成若干个相对“较小”的功能模块（模块具体划分情况见后面课程设计的详细介绍），允许每个学生根据自身能力情况选择实现课程设计的全部或部分功能模块，学生完成一个或多个模块后可在软件系统中进行模块替换操作，替换后需要重新进行编译、链接工作，然后就可以运行程序，从而及时看到所编写模块的功能实现情况。这样能够提高所有学生主动学习的兴趣，提高实际动手能力。-6-第二章基于DOS的多任务系统的实现2.1设计目的和内容要求1．设计目的通过对线程（和进程）的创建和撤消、CPU的调度、同步机制、通信机制的实现，达到以下目的：（1）加深对线程和进程概念的理解，明确进程和程序的区别。（2）加深对CPU调度过程（现场保护、CPU的分派和现场恢复）的理解。（3）进一步认识并发执行的概念，明确顺序执行和并发执行的区别。（4）加深对临界资源、临界区、信号量以及同步机制的理解。（5）加深对消息缓冲通信的理解。2．内容要求（1）用C语言完成线程的创建和撤消，并按先来先服务方式对多个线程进行调度。（2）将线程调度算法修改为时间片轮转算法，实现时间片轮转调度。（也可以结合优先权，实现优先权加时间片轮转算法的线程调度。）（3）改变时间片的大小，观察结果的变化。思考：为什么时间片不能太小或太大。（4）假设两个线程共用同一软件资源（如某一变量，或某一数据结构），请用记录型信号量来实现对它的互斥访问。（5）假设有两个线程共享一个可存放５个整数的缓冲，其中一个线程不停地计算１至５０的平方，并将结果放入缓冲中，另一个线程不断地从缓冲中取出结果，并将它们打印出来，请用记录型信号量实现这一生产者和消费者的同步问题。（6）实现消息缓冲通信，并与4、5中的简单通信进行比较。（7）思考：在线程间进行消息缓冲通信时，若对消息队列的访问没有满足互斥要求，情况将会怎样？3.学时安排（共21学时）-7-（1）授课3学时，内容包括线程的创建、撤消、调度等内容。（2）线程的创建、撤消、先来先服务调度，8学时上机。（3）时间片轮转调度，3学时上机。（4）信号量的实现，3学时上机。（5）线程间的消息缓冲队列通信，4学时上机。4．开发平台TurboC2.0或3.0。2.2线程描述2.2.1线程基本概念在一些多任务的环境下，用户可以同时运行多个完整的程序。例如，在UNIX环境下，你可以用ＣＣ命令编译一个Ｃ程序，并把它作为一个后台进程运行（只需在命令行后加上字符‘＆’）；在前台，你又可以做其他的事情，比如，编辑另一个文件。我们把这种系统称为基于进程的多任务系统。另外有一种多任务系统，在其下，一个程序的多个部分可同时运行，我们把这种环境下的任务，即程序的每个部分叫做线程，称这种系统为基于线程的多任务系统。在这种环境下，处理机的调度单位为线程，它们共享整个进程的资源，还拥有一些自己的私有资源。我们将通过本课程设计实现多个线程的并发执行。线程，有时也叫做轻进程（lightweightprocess），是CPU调度的基本单位，每个线程有自己的一个指令计数器、一组寄存器和一个私有堆栈。而代码段、数据段以及操作系统的其它资源（如打开的文件）是由一组线程共享的，这一组线程组成一个Task（传统的进程，即heavyweightprocess相当于只有一个线程的Task）。在许多方面，对线程的操作类似于进程：线程可处于就绪、阻塞、执行三种状态之一；线程可共享CPU，在单机系统中，任何时刻最多只能有一个线程处于执行状态；一个Task中的多个线程可并发执行。但与进程不同，一个Task中的多个线程并不互相独立，因为，所有线程均可访问所属Task的地址空间的任一单元，所以，一个线程读写其它线程的私有堆栈是十分容易的，即系统不提供线程间的保护。-8-注：上面讲的Task是指一个完整的作业，其中可包括多个线程，与本课程设计中所讲的多任务中的任务（系统中可并发执行的部分，如线程或进程）含义不同，除此之外，本课程设计中所提到的Task或任务均代表后者。线程的切换只需切换寄存器组的值，而不需做有关内存管理方面的工作，实现起来也就比较简单。2.2.2线程控制块与进程类似，基于线程的多任务系统中的任务，即线程，它不单是指静态的、可并发执行的程序段本身，其实也是一个动态的概念，是指可并发执行的程序段及其执行过程。因此，我们要用一个类似于进程控制块PCB的数据结构——线程控制块TCB，来记录有关描述线程情况和控制线程运行所需的全部信息，具体来说，在一个TCB中主要应包括以下几方面的信息：1．有关线程私有堆栈的信息在线程调度的过程中，为了保护线程的现场信息，每个线程都必须有自己的私有堆栈。我们把被切换线程的现场信息，包括目前各寄存器的值和下一条指令的地址都保存在它的堆栈中，再从新线程的私有堆栈中恢复出一组新值来布置系统的寄存器，并从私有堆栈中得到新线程的下一条指令地址。另外，每个线程中用到的局部变量也是存放在它自己的私有堆栈中的。因此，在TCB中必须有线程的私有堆栈的信息，包括它在内存的起始地址、堆栈的栈顶指针的段地址和偏移等信息。DOS中内存的地址是20位的，而且DOS的内存管理采用分段的方式，每个段的基址的低4位必须为0，指令和数据的逻辑地址可用两个16位的整数来描述，即：段地址seg和段内偏移off，其中段地址seg中有段基址的高16位，故逻辑地址seg:off对应的物理地址为seg×24+off。C语言经常用指针来描述一个地址，TurboC提供了三个宏函数用来实现指针方式到段地址、偏移地址方式的相互转换：若P为一个指针，则可通过FP_SEG(p)得到该地址的段地址，FP_OFF(p)得到该地址的段内偏移；若seg为一个地址