操作系统课程设计.doc

. .操作系统课程设计指导一、本课程的教学目的及根本要求教学目的操作系统课程设计是操作系统课程的重要实践环节，是操作系统课程实验的有益补充，它旨在培养学生的实践能力，促进理论与实践的结合。要求学生通过上机编程，了解如何模拟操作系统原理的实现，从而加深对操作系统原理的领会，加深对操作系统实现方法的理解，与此同时使学生在程序设计方面也能够得到很大程度的提高。 操作系统虽然是理论性很强的课程，但是仅仅是课堂讲授是绝对不够的，操作系统课程设计即是课堂教学根底上的实践环节，其重要程度决不亚于课堂的知识传授。 本课程设计的目的和任务是在课堂教学的根底上，使学生对操作系统运行机制有一个全面的认识和理解，锻炼学生的抽象思维、逻辑思维和实际动手能力，培养操作系统等大型系统程序的使用者、管理者、分析员和设计人才。 促进理论与实践的结合，使学生在系统程序设计方面能够得到很大程度的提高。先修课程：数据构造，操作系统教学根本要求要求学生通过上机编程，使学生对操作系统运行机制有一个全面的认识和理解，通过模拟文件系统及存管理系统，锻炼学生的逻辑思维和实际动手能力，培养操作系统等大型系统程序的使用者、管理者、分析员和设计人才。 促进理论与实践的结合，使学生在系统程序设计方面能够得到很大程度的提高。课程设计根本要求：1、掌握课堂教学容，主要包括：(1) 掌握操作系统四大资源管理的理论知识；(2) 熟悉 Linux 或Unix 文件系统的构造；(3) 使用 编程语言实现课程设计题目要求的功能。2、根据课程设计题目，按以下步骤进展：(1) 问题分析，理解问题，明确设计要求；(2) 根据要求进展概要设计和详细设计；(3) 编码实现、上机调试，数据测试；(4) 完成课程设计实习报告。二、操作系统课程设计题目1实现一个进程管理子系统 问题描述 在Linux/UNIX/windows下编制一个程序，模拟实现一个简单的进程管理子系统，它由进程建立模块、进程撤消模块、进程控制表组成，此外还可能包括选作的进程切换和调度模块。设计要求 该子系统接收新进程建立请求的方式是循环显示“请输入新命令行，然后根据用户键入容启动相应进程，其后不等待子进程完毕，马上显示下一个“请输入新命令行如此循环往复。当建立进程时，相应读写进程控制表，然后借助底层环境OS中象fork和exec这样的函数将新进程投入运行这与底层环境的实际OS不同，实际OS 将新进程投入运行时要布置现场，最后时程序技术器存放器。进程撤消时，利用底层OS的wait() 从子进程回到本子系统，相应修改PCB。比拟该子系统与实际系统中的相应功能的异同与差距，尤其在现场保存与恢复方面的比拟。2实现一个进程管理子系统 实现进程切换问题描述 在Linux/UNIX/windows下编制一个程序，模拟实现一个简单的进程管理子系统，它由进程建立模块、进程撤消模块、进程控制表组成，此外还可能包括选作的进程切换和调度模块。设计要求在1题的根底上，进一步可选做模拟实现进程切换。希望能实现时间片满或接到sleep 调用或信号时进展进程切换选择其一即可。假设要实现时间片，假设时间片为1秒钟，设定底层环境OS每个1秒向该系统发一个信号，本子系统将本子系统的进程切换和调度模块设定为该信号的处理程序。或者每当接到子进程发出的的sleep 调用或信号时进展进程切换，这里子进程发出的 sleep调用或信号代表实际系统中可能发生的sleep调用、等待某一时间发生等情况，进程调度采用简单的FIFO算法。 此题作为一道思考选作实验题：由于是在实际OS中模拟实现，故子系统无法完全控制其建立的所有子进程的进程状态变化，象当前进程这样的概念都不太好模拟，需要设法解决或假设。 3进程调度算法模块问题描述 编制一个进程调度算法模块。进程调度是处理机管理的核心容。本设计要求用C语言编写和调试一个简单的进程调度程序。通过设计本可以加深理解有关进程控制块、进程队列的概念，并体会和了解最高优先数优先的调度算法即把处理机分配给优先数最高的进程和先来先效劳算法的具体实施方法。设计要求 1进程调度算法：采用最高优先数优先的调度算法即把处理机分配给优先数最高的进程和先来先效劳算法。 2每个进程有一个进程控制块 PCB表示。进程控制块可以包含如下信息：进程名、优先数、到达时间、需要运行时间、已用CPU时间、进程状态等等。 3进程的优先数及需要的运行时间可以事先人为地指定也可以由随机数产生。进程的到达时间为进程输入的时间。 进程的运行时间以时间片为单位进展计算。 4每个进程的状态可以是就绪 WWait、运行RRun、或完成FFinish三种状态之一。 5就绪进程获得 CPU后都只能运行一个时间片。用已占用CPU时间加1来表示。如果运行一个时间片后，进程的已占用 CPU时间已到达所需要的运行时间，那么撤消该进程，如果运行一个时间片后进程的已占用CPU时间还未达所需要的运行时间，也就是进程还需要继续运行，此时应将进程的优先数减1即降低一级，然后把它插入就绪队列等待CPU。 6每进展一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的 PCB，以便进展检查。 7重复以上过程，直到所要进程都完成为止。4.生产者消费者问题实现问题描述有一群生产者进程生产产品供应消费者进程消费，为使两者并发执行，在两者之间设置具有n个缓冲区的缓冲池，生产者进程所生产的产品放入一个缓冲区中，消费者进程可从一个缓冲区中取走产品去消费。要求掌握信号的使用方法和PV操作的定义，掌握使用PV操作实现进程之间同步与互斥的方法，加深对进程同步互斥概念的理解。设计要求设计一程序，由一个进程创立三个子进程，三个子进程一个是生产者进程，两个是消费者进程，父子进程都使用父进程创立的共享存储区进展通信，由生产者进程将一个数组中的十个数值发送到由5个缓冲区组成的共享存中，两个消费者进程轮流接收并输出这十个数值，同时将两个消费者进程读出的数值进展累加求各和。5.苹果问题 问题描述桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸专向盘子放苹果apple，妈妈专向盘子中放桔子orange；两个儿子专等吃盘子中的桔子，两个女儿专等吃盘子中的苹果。请用P、V操作来实现爸爸、妈妈、儿子、女儿之间的同步与互斥关系。设计要求 了解信号量机制，了解并掌握进程同步和互斥机制，熟悉信号量的操作函数，利用信号量实现对共享资源的控制。编程模拟实现这一问题的程序控制，分析处理过程。6.模拟请求页式存储管理算法 问题描述存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。本次设计的目的是通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式管理的页面置换算法。设计要求设计一个请求页式存储管理方案。并编写模拟程序实现之。要求包含：1过随机数产生一个指令序列，共320条指令。其地址按下述原那么生成：50%的指令是顺序执行的；25%的指令是均匀分布在前地址局部；25%的指令是均匀分布在后地址局部；#具体的实施方法是：A. 在0，319的指令地址之间随机选区一起点M;B. 顺序执行一条指令，即执行地址为M+1的指令；C. 在前地址0，M+1中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为M;D. 顺序执行一条指令，其地址为M+1；E. 在后地址M+2，319中随机选取一条指令并执行；F. 重复AE，直到执行320次指令。2指令序列变换成页地址流 设：页面大小为1K； 用户存容量为4页到32页； 用户虚存容量为32K。在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为： 第0条第9条指令为第0页对应虚存地址为0，9； 第10条第19条指令为第1页对应虚存地址为10，19； 。 第310条第319条指令为第31页对应虚存地址为310，319；按以上方式，用户指令可组成32页。3. 计算并输出下述各种算法在不同存容量下的命中率。最正确置换页面置换算法OPT最近最久未使用页面置换算法LRU最少使用页面置换算法LFUCLOCK算法要求设计一个虚拟存储区和存工作区，编程序演示以上四种算法的具体实现过程，并计算访问命中率。演示页面置换的四种算法。7.存的申请与释放 问题描述模拟实现操作系统存分配的算法。设计要求（1） 定义一个自由存储块链表，按块地址排序，表中记录块的大小。当请求分配存时，扫描自由存储块链表，址到找到一个足够大的可供分配的存块，假设找到的块大小正好等于所请求的大小时，就把这一块从自由链表中取下来，返回给申请者。假设找到的块太大，即对其分割，并从该块的高地址局部往低地址局部分割，取出大小适宜的块返回给申请者，余下的低地址局部留在链表中。假设找不到足够大的块，就从操作系统中请求另外一块足够大的存区域，并把它到自由块链表中，然后再继续搜索。释放存储块也要搜索自由链表，目的是找到适当的位置将要释放的块插进去，如果被释放的块的任何一边与链表中的某一块临接，即对其进展合并操作，直到没有合并的临接块为止，这样可以防止存储空间变得过于零碎。（2） 空闲区采用分区说明表的方法实现1中的功能。要求同上。8固定式分区分配及可变式分区分配的存储管理方案设计与实现问题描述1设计一个固定式分区分配的存储管理方案，并模拟实现分区的分配和回收过程。 设计要求1可以假定每个作业都是批处理作业，并且不允许动态申请存。为实现分区的分配和回收，可以设定一个分区说明表，按照表中的有关信息进展分配，并根据分区的分配和回收情况修改该表。问题描述2设计一个可变式分区分配的存储管理方案。并模拟实现分区的分配和回收过程。设计要求2对分区的管理法可以是下面三种算法之一：首次适应算法 循环首次适应算法 最正确适应算法 9.磁盘调度算法问题描述 了解磁盘管理的原理，掌握磁盘调度种算法。设计要求：编程序实现下述磁盘调度算法，并求出每种算法的平均寻道长度：要求设计主界面可以灵活选择算法，且以下算法为根本要求。（1） 先来先效劳算法FCFS（2） 最短寻道时间优先算法SSTF（3） 扫描算法SCAN（4） 循环扫描算法CSCAN10.模拟UNIX(linux)文件系统问题描述在任一OS下，建立一个大文件，把它假象成一盘，在其中实现一个简单的模拟UNIX文件系统 。设计要求1在现有机器硬盘上开辟20M的硬盘空间，作为设定的硬盘空间。2编写一管理程序对此空间进展管理，以模拟UNIX(或linux)文件系统，具体要求如下：要求盘块大小1k正规文件i结点文件类型 目录文件 (共1byte) 块设备 管道文件 。物理地址索引表 共有13个表项，每表项2byte 。文件长度 4byte 。联结计数 1byte0号块 超级块 栈长度50空闲盘块的管理：成组 ( UNIX)或位示图法 (Linux) 每建一个目录，分配4个物理块 文件名 14byte目录项信息i 结点号 2byte构造： 0#： 超级块1#20#号为 i 结点区 20#30#号为根目录区功能： 初始化建立文件需给出文件名，文件长度 建立子目录 翻开文件显示文件所占的盘块 删除文件删除目录 显示目录即显示目录下的信息，包括文件、子目录等 显示整个系统信息 11模拟文件系统问题描述在任一OS下，建立一个大文件，把它假象成一盘，在其中实现一个简单的小型文件系统。设计要求该小型文件系统没有子目录机制，文件连续分配，不考虑分区。做一个简单的 操作界面，提供四条简单的命令：简单的ls、cat、cp、rd.进一步增强:上题中的文件系统功能：文件系统不连续分配，可以有子目录机制，如两级子目录机制。12.Windows磁盘直接读写实验1人问题描述了解磁盘设备编程的特点。设计要求通过本实验了解在windows系统中如何直接使用磁盘的读写功能；所编应用程序能够响应用户指定的读写磁盘扇区的请求，也能提供查看磁盘相关参数的功能。技术的关键是使用了windows提供的API应用程序接口来实现所要求的功能。用户可以利用API进展底层的磁盘操作。相关知识：以下函数的详细使用方法参看VC+的MSDN文档CreateFile:用来创立或者翻开一个文件、管道、磁盘设备等，它返回一个句柄用于以后对这信对象的访问。DeviceControl:本API直接向相应设备的驱动程序发出指令，以完成在函数参数中所指定的动作。WriteFile：本API用于向文件中写入数据，写入操作可以采用同步方式或者异步方式，写入操作从文件指针处开场，写操作后会被相应调整。磁盘设备被当作文件对待。ReadFile:本API用于文件中读出数据，读出操作从文件指针处开场，文件指针在读操作后会被相应调整。用法同写文件函数相似。SetFilePointer:用于移动一个翻开的文件中的读写指针。选作局部1 睡眠理发师问题目的：了解信号量机制，了解并掌握进程同步和互斥机制，熟悉信号量的操作函数，利用信号量实现对共享资源的控制。设计要求：1编写程序实现理发师与顾客进程的同步。问题描述：这是一种经典的IPC问题，理发店有一位理发师，一把理发椅和n把用来等候理发的椅子。如果没有顾客，那么理发师在理发椅上睡觉，顾客理来时，如理发师闲那么理发，否那么如有空椅那么坐等，没有空椅那么离开，编写程序实现理发师和顾客程序，实现进程控制，要求不能出现竞争。2将1题中问题修改为有两位理发师，设计程序实现同步控制。问题提示：可以用一个变量waitting来记录等候理发的顾客数，另使用三个信号量：用来记录等候理发的顾客数customers；用来记录理发师是否空闲的信号量barbers，一个用于互斥访问waitting变量的mutex.。2.读者与写者问题进程同步问题目的：了解进程同步的概念，理解信号量机制的原理，掌握运用信号量解决进程同步问题的方法，进而学会运用进程的同步与互斥。设计要求：编程模拟读者与写者问题，要求显示结果。问题描述：1多个进程共享一个文件，其中只读文件的称之为读者，其余只写文件的称为写者。读者可以同时读，但是写者只能独立写。2对1修改，使得它对写者优先，即一旦有写者到，后续的读者都必须等待，而无论是否有读者在读文件。3.模拟文件管理系统目的：深入了解文件管理系统，初步掌握文件管理系统的实现方法。设计要求：编写一程序，模拟一个简单的文件管理系统。树型构造，目录下可以是目录，也可以是文件。在此文件管理系统，可实现的操作有：改变目录：格式：cd <目录名>显示目录：格式：dir<目录名>创立目录：格式：md <目录名>删除目录：格式：rd<目录名>新建文件：格式：edit<文件名>删除文件：格式：del<文件名>退出文件系统：exit实现参考：（1） 文件系统采用二叉树型存储构造，结点构造如下：Struct FileNodeChar filenameFILENAME_LEN;/文件名/目录名Int isdir ;/目录、文件的识别标志Int i_nlink;/文件数Int adr;/文件的地址Struct FileNode *parent,*child;/指向父亲的指针和左孩子的指针Struct FileNode *sibling_prev,*sibling_next;/指向前一个兄弟的指针和后一个兄弟的指针。（2） 目录名和文件名支持全路径名和相对路径名，路径名各分量间用“/隔开（3） 功能具体描述：改变目录：改变当前工作目录，目录不存在是给出出错信息显示目录：显示指定目录下或当前目录下所有文件和一级目录选做：带/s参数的dir命令，显示所有子目录创立目录：在指定路径或当前路径下创立指定目录。重名时给出出错信息。删除目录：删除指定目录下所有文件和子目录。要删目录不空时，要给出提示是否要删除。创立文件：创立指定名字的文件，只要创立表示文件的节点即可，容及大小不考虑。删除文件：删除指定文件，不存在时给出出错信息。退出文件系统：exit（4） 总体流程：初始化文件目录输出提示符，等待承受命令，分析键入的命令；对合法的命令，执行相应的处理程序，否那么输出错误信息，继续等待新命令。直到键入exit退出为止。4.售票员与乘客信号量操作目的：了解进程同步的概念，理解信号量机制的原理，掌握运用信号量解决进程同步问题的方法，进而学会运用进程的同步与互斥。设计要求：编程序模拟车站售票厅进程同步问题，售票厅任何时刻最多可容纳20名购票者进入，否那么需要在外面等待。每个购票者可看成一个进程。5.生产者消费者问题目的：掌握信号的使用方法和PV操作的定义，掌握使用PV操作实现进程之间同步与互斥的方法，加深对进程同步互斥概念的理解。设计要求：设计一程序，由一个进程创立三个子进程，三个子进程一个是生产者进程，两个是消费者进程，父子进程都使用父进程创立的共享存储区进展通信，由生产者进程将一个数组中的十个数值发送到由5个缓冲区组成的共享存中，两个消费者进程轮流接收并输出这十个数值，同时将两个消费者进程读出的数值进展累加求各和。6.驱动调度目的：掌握驱动调度算法的原理设计要求：模拟电梯调度算法，实现对磁盘的驱动调度。要求模拟设计一个驱动调度程序，观察驱动程序的动态运行过程。通过实验理解和掌握驱动调度的职能。通过输入一个01的数来确定函数执行“承受请求命令，还是执行“驱动调度命令。同时可以根据自已需要确定是否继续执行。调用数组对输入的进程进展存储，并运用循环进展显示同时对I/O请求列表进展初始化。运用电梯调度算法，对I/O列表中的磁盘请求进展调度，同时对I/O列表进展排序，调度完成后显示新的列表。7.交通信号灯模拟目的：了解信号量机制，了解并掌握进程同步和互斥机制，熟悉信号量的操作函数，利用信号量实现对共享资源的控制。设计要求：编程模拟交通信号灯的控制。问题描述：一个十字路口，共有四组红绿灯，每个路口的车辆都遵循“红灯停，绿灯行的原那么，假设将每一台汽车都作为一个进程，请设计良好的机制，展示出合理的“十字路口交通管理情况。车辆通行设定：路口宽度不限，对一个路口而言，只有当一辆车通过路口越过对面路口的交通灯后，其后续车辆才能继续通过交通灯，车辆通过路口的时间可以固定，可以自行计算。进程的互斥：交通灯进程实际上是互斥的，即不能同时为红或者同时为绿。进程的消息通信或其通信方式：对车辆进程而言，每一个车辆在通过路口前，必须确认前面的车辆已经通过了路口。进程的调度：停留在一个路口的车辆，决定其前进或等候的因素是交通灯和前面车辆的状态，需要设计一个良好的进程调度机制来控制所有车辆的通行。8.哲学家进餐问题目的：通过实现哲学家进餐问题的互步，深入了解和掌握进程互斥的原理。设计要求：哲学家有N个，规定全体到齐后开场讨论，在讨论的间隙哲学家进餐，每人进餐时都需使用刀、叉合一把，所有哲学家刀和叉都拿到后才能进餐。哲学家的人数、餐桌上的布置自行设定，实现刀和叉的互斥使用算法的程序实现。9.司机与售票员信号量操作目的：掌握信号的使用方法和PV操作的定义，掌握使用PV操作实现进程之间同步和互斥的方法，加深对进程同步互斥概念的理解。设计要求：设计程序模拟在公共汽车上，司机和售票员操作的同步。司机：启动车辆，正常行车，到站停车。售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。用PV操作对其控制。10.收银员与顾客问题信号量操作目的：了解信号量机制，了解并掌握进程同步和互斥机制，熟悉信号量的操作函数，利用信号量实现对共享资源的控制。设计要求：编程模拟下面同步问题：在某超市有下收银员，且同时最多允许有n个顾客购物，我们可以将顾客和收银员看成是两类不同的进程，且工作流程如以下图所示。为了利用PV操作正确地协调这两类进程之间的工作，设置了三个信号量S1、S2和Sn，且初值分别为0、0、和n。11.信号量的操作2目的：了解信号量机制，了解并掌握进程同步和互斥机制，熟悉信号量的操作函数，利用信号量实现对共享资源的控制。设计要求：通过对windows系统的核同步对象mutexes和semaphores的使用来实现进程同步的控制。利用CreateSemaphore、WaitForSingleObject等函数检测核同步对象的状态。12.进程间的通信2人目的：了解进程间通信的机制，实现进程的两种通信方式，屡次执行，观察结果，并对两种通信方式进展比拟。设计要求：利用系统提供的通信系统调用，进展一种方式的进程通信的程序设计，并对结果进展分析，同时了解另一种通信方式，将两种方式进展比拟分析。（1） 消息的创立发送和接收使用系统调用msgget()、msgsnd()、msgrev()、msgctl()来编写长度为500字节的发送和接收程序。用一个程序先后创立两个子进程server和client，进展消息队列方式通信。由server建立消息队列，等待其他进程发来消息，当遇到类型为1的消息，那么作为通信完毕的信号，取消消息队列，退出。Server每接收到一个消息显示在屏幕上。Client判断一个数据中的整数是否为素数，然后使用server建立的消息队列，将某数是否为素数的消息依次发送给server,然后退出。Client每次发送时把消息显示在屏幕上。（2） 共享存储区的创立，附接和断接使用系统调用shmget(),shmat(),shmctl()编写一个与上面(1)中一样功能的程序。13.分时系统实现目的： 了解计算机系统的启动过程，实模式和保护模式的区别，进程管理功能的具体实现。设计要求：  1制作计算机启动盘。  2实现由实模式进入到保护模式。（3） 静态建立几个进程，采用时间片轮转调度策略调度进程执行。参考书目：?操作系统实验教程?，丽芬、利雄、王全玉等，清华大学。?操作系统原理与实践教程?周湘贞、曾宪权编，清华大学。?Windows操作系统核心编程实验教程?，宋晓宇，中国铁道。三、关于选题及成绩评定的说明：1、课程设计时间为一般为一周, 地点学院机房，教师将不定期点名 ；2、课程设计题目均选自?操作系统课程设计指导?，请你根据所给页码及题目查阅相应容；学生也可以自己选题，难度与习题集中布置的题目难度相当，并必须经教师审核批准。3、确定自己设计的题目方法：用班级顺序号对n取余，结果所得序号即为应做设计题目。4、课程设计的成绩分两局部 ：程序演示+设计报告 四、课程设计报告容要求：1实验题目的描述与要求；2总体设计及环境说明、工具等；3详细设计：此题所需数据构造与模块说明；4调试过程、测试数据、运行结果及对结果的分析等；5自我评析与总结。.你认为你完成的设计哪些比拟好或比拟出色；.差距与局限：从本设计中得到的收获，:对编写与调试过程中经历教训的总结以待更好改良。 五、课程设计报告模板见下页操作系统课程设计学 院： 信息科学与工程学院专业： 班级： 学号： 学生： 指导教师： 年 月 日*系统一、实验容根本要求：1. *2. *3. *选作容：1. *2. *3. *二、数据构造设计 *定义如下：struct * int *; /注释char *; /注释 三、算法设计3.1 功能模块图3.2 算法思路3.2.1实现方法列出系统中的所有函数并说明函数的功能画出函数之间的调用关系图3.2.2 设计思想*1定义全局变量2主函数模块说明主函数主要构造3其他模块说明用文字描述，不要代码四、测试数据及程序运行情况 程序运行界面，截图五、实验过程中出现的问题及解决方法六、自我评析与总结 七、参考文献 . .word.zl.