操作系统原理课程设计任务书0834131 (1)

河南城建学院

《操作系统原理》课程设计任务书

班级：0834131

专业：信息管理与信息技术(本科)

课程名称：操作系统原理

指导教师：魏新红

计算机科学与工程学院

2015年12月

《操作系统》课程设计任务书

课程编码0801510课程名称操作系统原理

适用专业信息管理与信息技术学时36

考核方式考查学分 2

先修课程数据结构，C语言设计时间第5学期第15-16周

一、设计时间及地点

1、设计时间

本课程设计时间为2周，安排在第5学期期末最后2个教学周进行，上午：8:00-12:00，下午：14:00-15:45。设计周的最后一天为验收时间，每个人都要对设计结果进行答辩，指导教师根据评分标准给出设计成绩。

2、设计地点

设计地点为计算机系实验中心10#A301，如有变动另行通知。

3、设计时间安排

具体的设计时间和地点安排详见附表1。

二、设计目的和要求

1、设计目的

学习计算机软件技术，特别是计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。如何学习和掌握操作系统技术的原理与实际技巧呢?除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。但由于我们的条件和学时有限，在理论学习过程中没有给同学们提供更多的实验机会。本操作系统课程设计，是给同学提供一个集中实验的机会。希望同学们通过该设计加深对所学习课程的理解。

2、设计要求

(1)纪律要求

设计期间必须在机房或教室，时间上午：8:00-12:00，下午：14:00-15:45。不得迟到、早退，有事请假，不得无故旷课，缺课超过总学时的1/3者，不得参与答辩，并以不及格论处。

1)严格遵循软件实习和课程设计的有关安排，按时完成设计任务。

2)严格遵守学校的纪律和机房各项管理规定。

3)严格请假制度，需请假时。请假需要有辅导员签字的假条，且必须经指导老师批准。

(2)技术要求

按软件工程的思想和方法进行设计，并把它作为一个工程来做。设计的每一步都有要形成文档，“成品”出来以后要有使用说明书和测试报告。最后按院方统一要求整理出软件实习“论文”，并分别以电子和书面文档的形式上交。最后，设计的程序要编译通过，并在验收时进行演示。

本设计的内容是基于《计算机操作系统》教材和课堂讲授内容的，但同学们必须对以前的《C语言程序设计》和《数据结构》等内容进行认真的复习。

设计过程所使用的技术或函数等都是课堂中所学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是Red Hat Linux 9，言语开发环境是Linux的GNU C或C++。要求课程设计者对Linux操作系统和GNU C或C++有一定的了解。

三、设计题目和内容

1、图书管理系统

以UNIX系统文件部分系统调用为基础设计一个简易的图书管理系统。要求实现：图书的录入、查询、借阅、清理、统计等功能、还要实现对每天的借阅情况进行统计并打印出统计报表，操作界面要尽量完善。图书资料信息必须保存在文件中。

2、信号通信与进程控制

(l)进程的创建：编写一段程序，使用系统调用fork()创建两个或多个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和其余为子进程在活动。

(2)进程的控制：在程序中使用系统调用lockf()来给每一个进程加锁，实现进程之间的互斥。

(3)进程通信：①软中断通信；②在程序中使用实例signal(SIGINT，SIG_IGN)和signal(SIGQUIT，SIG_IGN)进行通信操作，观察执行结果，并分析原因。

(4)软中断的捕获与重定义。首先定义一个服务函数function()，然后利用signal(sig，function)系统调用来实现中断的捕获与改道。

(5)使用操作系统保留给用户的信号SIGUSR1和SIGUSR2进行通信。

(6)扩展程序，使之成为信号或事件驱动的应用程序。

3、进程间通信(IPC)：消息机制

(1)消息的创建、发送和接收

使用系统调用msgget()，msgsnd()，msgget()，及msgctl()编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。

1）为了便于操作和观察结果，用一个程序作为“引子”，先后fork()两个子进程，SERVER和CLIENT，进行通信。SERVER和CLIENT也可分别为2个各自独立的程序。

2）SERVER端建立一个Key为175的消息队列，等待其他进程发来的消息。当遇到类型为1的消息，则作为结束信号，取消该队列，并退出SERVER。SERVER每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。

3）CLIENT端使用key为175的消息队列，先后发送类型从10到1的消息，然后退出。最后的一个消息，即是SERVER端需要的结束信号。CLIENT每发送一条消息后显示一句“(client)s ent”。

4）父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。

（2）功能扩展：在sever端创建一个服务函数，从而实现C/S通讯

要求SERVER每接收到一次数据后不仅仅显示“(server)received”，而是做一些其它事情，比如读取或查询某个文件，或者执行一个shell命令等。此功能可由设计者自己定义。

在此基础上可以扩展客户端，比如设计一个菜单界面，接收不同的选项，并发送到服务器端，请求对方提供服务。

4、进程间通信(IPC)：共享内存机制

(1) 共享存储区的创建，附接和断接

使用系统调用shmget()，shmat()，msgdt()，shmctl()，编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。

1）为了便于操作和观察结果，用一个程序作为“引子”，先后fork()两个子进程，SERVER和CLIENT，进行通信。SERVER和CLIENT也可分别为2个各自独立的程序。

2）SERVER端建立一个Key为375的共享区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志，等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息，并进行处理。然后再次把它的值设为-1。如果遇到的值为0，则视为结束信号，取消该队列，并退出SERVER。SERVER每接收到一次数据后显示“(server)received”。

3）CLIENT端建立一个Key为375的共享区，当共享取得第一个字节为-1时，SERVER端空闲，可发送请求。CLIENT随即填入9到0。期间等待Server端的再次空闲。进行完这些操作后，CLIENT 退出。CLIENT每发送一次数据后显示“(client)sent”。

4）父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。

（2）功能扩展：在sever端创建一个服务函数，从而形成C/S通讯模式

要求SERVER每接收到一次数据后不仅仅显示“(server)received”，而是做一些其它事情，比如读取或查询某个文件等。此功能可由设计者自己定义。

在此基础上可以扩展客户端，比如设计一个菜单界面，接收不同的选项，并发送到服务器端，请求对方提供服务。

5、文件加密存储

利用文件系统的系统调用编程对文件的内容进行加、解密。

要求程序从环境的命令行携带4个参数。第一个是文件名，第二个是操作方式，第三个是密钥，第四个是加密钥循环使用长度。其中后两个参数是可以忽略，但对忽略的情况要提供缺省值。

要求最后实现对文件的加密转储，或通过改道的办法进行转储。对于已加密的文件可以进行解密显示或解密后转储。形成加密或解密文件后要删除原来的文件。

建议加密过程使用按字符进行异或的方式处理，也可以是仿射加密方式，比如把所有的字符做一个平移变换：A-→A+C（A为任意字母表中的字母，C为常数，为了防止越界或溢出，可以改造其为A-→（A+C）MOD 256），这里要提醒的是，要注意逆变换。

建议，设计者也提供自己的加密方式。

6、存储管理

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，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。要求：

(1)通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：

①50%的指令是顺序执行的；②25%的指令是均匀分布在前地址部分；③25%的指令是均匀分布在后地址部分。

具体的实施方法是：①在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m；②顺序执行一条指令，即执行地址为m+l的指令；③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’；④顺序执行一条指令，其地址为m’+1；⑤在后地址[m’+2，319]中随机选取一条指令并执行；⑥重复上述步骤

①~⑤，直到执行320次指令。

(2)将指令序列变换成为页地址流。设:①页面大小为1K；②用户内存容量为4页到32页；③用户虚存容量为32K。

在用户虚存中，按每页存放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内存容量下的命中率（要为以下各种算法定义数据结构）。

①先进先出的算法(FIFO)；

②最近最少使用算法(LRU)；

③最近最不经常使用算法(NUR/NRU/CLOCK)。

命中率=1-页面失效次数/页地址流长度

在本设计中，页地址流长度为320，页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数。

(4)关于随机数产生办法，Linux/UNIX系统提供函数srand（）和rand（），分别进行初始化和产生随机数。例如:srand()语句可初始化一个随机数：

a[0]=10*rand()/32767*319+1，

a[1]=10*rand()/32767*a[0]；

………

语句可用来产生a[0]、a[1]、…中的随机数。

7、shell程序模拟设计

shell是UNIX系统的命令解释程序。Shell的基本功能是：命令解释执行、shell编程、系统环境设置、文件名替换、I/O重定向、连通管道建立。试按照shell程序的基本功能，利用UNIX系统提供的进程控制的系统调用，设计一个程序来模拟shell功能。要求至少要做到：

1）从终端键盘接收命令，若是合法，则执行之；

2）设置一条内部命令，比如print，用于显示被执行命令的返回状态和它自己的参数；

3）实现shell命令替换。

8、Windows文件系统分析

在Linux系统下，使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写，参照Linux系统源代码，对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。要求在Linux环境下设计出C语言程序，实现以下功能：1）分析DOS/Windows系统引导记录DBR（DOS Boot Record）和引导机制;

2）通过DBR中的BPB（BIOS Parameter Block）信息分析，构建相关信息的数据结构，比较FAT16、FAT32和VFAT等文件系统的区别与联系。

3）至少要实现对给出第一FAT入口文件的只读访问。

4）建议根据文件名读取文件。

9、UNIX/Linux文件系统分析

在Linux系统下，使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写，参照Linux系统源代码以及Grub系统的源代码，对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。要求在Linux环境下设计出C 语言程序，实现以下功能：

1）分析UNIX SysV/Linux系统引导记录的作用;

2）分析UNIX SysV/Linux的超级块及其结构，并建立相关数据结构，通过编程实现UNIX SysV/Linux 文件系统内各部分的定位。

3）至少要实现对给定i节点文件的只读访问。

4）建议根据文件名读取文件。

四、设计方法和步骤

1、设计方法

在Linux环境下，使用GNU C或GNU C++，结合与各自题目相关的系统调用进行开发设计。必要时可在UNIX/Linux make开发工具的的管理和控制下进行。

2、开发步骤

(1) 规划设计；

(2) 编写代码；

(3) 上机调试测试；

(4) 书写打印并提交文档。

五、设计成果的编制

1、设计成果的编制

设计时间为两周，设计结束时，每个同学必须按规定提交一套完整的设计说明或论文，并分别以电子和纸质形式提交给指导教师。文档格式要求按软件工程的要求和方法形成，包括你的设计思路和设计方案、设计框图、代码、执行结果和结果分析等，论文不合要求或抄袭程序或报告者以零分计。

2、论文正文

要求在WORD下进行排版并打印报告，一律用A4大小的纸张，并严格按照统一封面进行填写和打印。

1）正文格式要求为

（1）论文主标题3#字黑体，居中；（2）副标题4#字黑体，居中；（3）论文内各标题4#黑体（根据需要可左对齐，也可左缩进2字符）；（4）正文宋体小4#字，（正文中代码5#字）；（5）参考文献楷体5#字；（6）注释一律采用脚注，宋体5#；（7）全文（除标题外）一律行首缩进2字符；（8）左对齐，全文左右缩进为0，段前、段后为0，1.25倍行距。

2）正文内容

(1)前言；(2)目录；(3)系统环境（硬件环境、软件环境）；(4)设计目的；(5)总体设计（程序设计组成框图、流程图、类图）；(6)详细设计（模块功能说明（如函数功能、入口及出口参数说明，函数调用关系描述等））；(7)调试与测试：调试方法，测试结果的分析与讨论，测试过程中遇到的主要问题及采取的解决措施；(8)设计中遇到的问题及解决方法；(9)源程序清单和执行结果及分析，清单中应有足够的注释；(10)总结，收获与体会；(11)参考文献。

3、封面的内容

具体格式见附件2（封面）。设计者必须严格按照附件2的格式制作封面，可以按相同的字型字号字体在空白处填写与自己及设计相关的内容，不得挪动位置或重新排版。

4、软件的提供

本设计需提供源程序，并能正常运行。

注：对于程序中未能实现的部分需要加以说明。对于程序中所参考的部分代码需要加以声明，并说明出处。

六、评分标准及成绩评定

根据学生在本设计中的表现、设计的成果及答辩的好坏给出个人成绩，成绩的等次分为优秀、良好、中等、及格、不及格。要求每个同学对本组设计的整个系统都要熟悉，系统的所有内容都为答辩内容。

优秀：软件实习中所编制的程序功能多、界面友好、美观、程序运行稳定。答辩时能够较好的回答指导老师提出的问题。

良好：软件实习中所编制的程序功能较多、界面友好、能够正常运行。答辩时基本能够回答指导老师提出的问题。

中等：平时成绩一般，软件实习所编制的程序功能一般、界面一般，能运行，答辩时只能回答指导老师提出的部分问题。

及格：平时成绩一般，软件实习中所编制的程序功能不足，能运行，答辩时只能回答指导老师提出的部分问题。

不及格：违犯设计纪律，或设计没有完成，或没有完整的符合标准的文档，软件没有基本实现设计方案，或设计方案不正确，或答辩时不能回答老师提出的问题。

程序运行流畅，结果正确，界面友好，且有创新者，成绩提高一个档次。

七、设计指导教师及分组情况

1、每个班按题目数分为10组，组内指定一名组长，根据设计要求搞好组内的分工协作。每个组可以选择10个题目中的一个，进行具体实施。

2、参与本程序设计的教师负责设计学生的技术指导和纪律等方面的管理工作。根据实际需要每教师负责若干组的指导工作。

3、分组情况（见附件3：操作系统课程设计分组表）。

4、具体上机安排请参见附件1。

附件1：

设计、指导和上机时间安排表

一、设计指导教师辅导时间安排

按教学计划安排，操作系统课程设计时间为第15-16周。

周一上午设计开始。周五上午答辩开始，且周五当天必须答辩完毕。

答辩前要调通课程设计的程序并准备好文档（说明书或论文）。要求设计文档必须符合院统一格式要求（参见设计成果的编制部分）。

上机地点在实验中心10#A301，若遇其它班级有实验或上机课需要使用此机房，则设计人员要到寝室或图书馆学习。设计时间如下表所示。

序号设计内容时间要求备注

1 布置设计任务十五周周一

上午

统一安排听课，集中讲解。并按选题要求收

集资料（10#A 301）

魏新红

2 方案、功能和代

码等设计

十五周周一

下午

方案、功能和代码等设计（图书馆或寝室）魏新红

3 代码设计与调试十五周周二

上午

代码设计与调试（（图书馆或寝室）魏新红

4 代码设计与调试十五周周二

下午

代码设计与调试（10#A 301）魏新红

5 代码设计与调测

试

十五周周三

上午

代码设计与调测试（图书馆或寝室）魏新红

6 代码设计与调测

试

十五周周三

下午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

7 代码设计与调试十五周周四

上午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

8 代码设计与调试十五周周四

下午

代码设计与调试（10#A 301）魏新红

9 代码设计与调测

试

十五周周五

上午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

10 代码设计与调测

试

十五周周五

下午

代码设计与调试（10#A 301）魏新红

11 代码设计与调测

试

十六周周一

上午

代码设计与调试（10#A 301）魏新红

12 代码设计与调测

试

十六周周一

下午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

13 代码设计与调测

试

十六周周二

上午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

14 代码设计与调测

试

十六周周二

下午

代码设计与调试（10#A 301）魏新红

15 代码设计与调测

试

十六周周三

上午

代码设计与调试（图书馆或寝室）魏新红

16 代码设计与调测

试

十六周周三

下午

完成代码设计与调测试，并开始做文档写作

与整理工作（10#A 301）魏新红

17 代码设计与调测

试，文档整理

十六周周四

上午

完成代码设计与调测试，并开始做文档写作

与整理工作（图书馆或寝室）魏新红

18 代码设计与调测

试，文档整理

十六周周四

下午

完成代码设计与调测试，并开始做文档写作

与整理工作（10#A 301）

魏新红

19 答辩十六周周五

上午12节

答辩准备，答辩（10#A 301）魏新红

20 文档整理十六周周五

下午56节

文档整理，答辩（10#A 301）魏新红

附表2：

操作系统原理课程设计分组表0834131 指导教师：魏新红地点：10#A301

组别组员题目

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18