《操作系统》课程设计说明书

河南城建学院《操作系统》课程设计说明书设计题目：UNIX/Linux文件系统分析专业：计算机科学与技术指导教师：邵国金耿永军陈红军班级：0614082学号：061408261姓名：贠炳森同组人：叶矿辉、陈宇计算机科学与工程系2011年1月7日前言在现在计算机更新如此迅速的时代要学好计算机软件技术，特别是操作系统的学习，不仅要努力学好课本上的基础知识，还要经常在图书馆看些有关这方面的书籍，而更重要的是要有足够的实践经验，也要注重和同学的交流，经常尝试性的做些小的操作系统，对自己技术的提升会有很大的帮助。

同时，学习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。

本设计是基于课程中学到的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++。

我做的课程设计是：Linux/Unix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目录一．系统环境 (3)1.1硬件环境 (3)1.2软件环境 (3)二．设计目的及要求 (3)三．总体设计 (5)四．详细设计 (6)五．调试与测试 (6)六．设计中遇到的问题及解决方法 (6)七．Linux/Unix文件系统分析源程序清单 (7)7.1 头文件 (7)7.2 示例程序 (10)八．运行结果及分析 (16)8.1 linux文件系统读取 (16)8.2 UNIX文件系统读取 (18)九．心得体会 (19)十．参考文献 (20)Linux/Unix文件系统分析一．系统环境1.1硬件环境cpu为pentium4双线程技术，频率为2.8GHZ，内存为256MB。

1.2软件环境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++。

二．设计目的及要求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。

但由于条件和学时有限，在理论学习过程中没有给提供更多的实验机会。

本操作系统课程设计，是提供了一个集中实验的机会。

应该通过该设计加深对所学习课程的理解。

2、设计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《操作系统原理》教材的，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。

本设计是基于课程中学到的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++。

因此，要求课程设计者对Linux 操作系统和GNU C或C++有一定的了解。

3、设计内容在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）建议根据文件读取文件。

文件系统必须完成下列工作：1)为了合理的存放文件，必须对磁盘等辅助空间（或称文件空间）进行统一管理。

在用户创新新文件时为其分配空闲区，而在用户删除或修改某个文件时，回收和调整存储区。

2)为了实现按名存取，需要有一个用户可见的文件逻辑结构，用户按照文件逻辑结构所给定的方式进行信息的存取和加工。

这种逻辑结构时独立于物理存储设备的。

3)为了便于存放和加工信息，文件在存储和设备上应按一定的顺序存放。

这种存放方式被称为文件物理结构。

4)完成对存放在存储设备上的文件信息的查找。

5)完成文件的共享和提供保护功能。

三．总体设计程序开始读取超级快内容到buff读取判断参数，打开文件系统，设置文件指针到超级快开头判断第二个参数UNIX 超级快内容解释程序段 LINUX 超级快内容解释程序段显示超级快内部包含的文件系统信 显示超级块内部包含的文件系统信息是否有第四参数 是否有第四参数解释为i 节点号 提示输入i 节点提示输入i 节点解释为i 节点号 根据i 节点读i 节点信息及i 节点所指向盘快信息并显示根据i 节点读i 节点信息及i 节点所指向盘快信息并显示四．详细设计分析UNIX SysV/Linux系统引导记录的作用UNIX SysV/Linux系统引导记录存放于整个硬盘的第一个扇区，即0柱面0磁头l扇区，也叫做MBR(MaserBoot Reoofd)扇区，即主引导记录。

主引导记录在计算机引导过程中起着举足轻重的作用，计算机在按下电源键以后，开始执行主板BI0S程序，进行完一系列检测和配置以后，开始按BI0S 中设定的系统引导顺序引导系统。

BIOS执行完自己的程序后如何把执行投交给硬盘呢。

交给硬盘后叉执行存储在哪里的程序呢?其实，称为MBR的扇区中的一段代码起着举足轻重的作用。

MBR不随操作系统的不同而小同，即不同的操作系统町能会存在相同的MBR．即使不同，MBR也不会夹带操作系统的性质，具有公共引导的特性。

对文件系统的操作参看程序源代码。

实现对磁盘文件的访问，实现读写、查看文件系统的存取信息，对应各个i节点的相关信息，以及各个i节点的排列情况，使用户能清楚的看到文件系统磁盘结构。

更加了解计算机文件系统的工作流程。

五．调试与测试（1）通过输入命令cc chengxu.c将文件编译为可执行文件a.out，通过输入命令./a.out加参数执行文件。

（2）判断命令行参数进行操作，当参数为./a.out u s51k .img时进行Linux文件系统读取，当参数为../a.out x xenix.img时进行Unix文件系统读取。

（3）判断是否有第四个参数，若没有，则提示输入i节点号并实现对给定i节点文件的只读访问。

六．设计中遇到的问题及解决方法在设计程序时。

我们按自己的理解编写了一个超级块和inode节点的结构体。

然后放在主程序中去读取信息，但是运行的结果大出我们的预料。

没有按我们的预期读出文件系统的信息，而是输出了一堆乱码，我们有经过查资料最后终于解决了问题，程序输出正常。

七．Linux/Unix文件系统分析源程序清单7.1 头文件#include <asm/types.h>typedef __s16 s16;typedef __u16 u16;typedef __s32 s32;typedef __u32 u32;typedef u16 sysv_ino_t;/* Block numbers are 24 bit, sometimes stored in 32 bit.On Coherent FS, they are always stored in PDP-11 manner: the leastsignificant 16 bits come last.*/typedef u32 sysv_zone_t;/* Among the blocks ... *//* Xenix FS, Coherent FS: block 0 is the boot block, block 1 the super-block.SystemV FS: block 0 contains both the boot sector and the super-block. *//* The first inode zone is sb->sv_firstinodezone (1 or 2). *//* Among the inodes ... *//* 0 is non-existent */#define SYSV_BADBL_INO 1/* inode of bad blocks file */#define SYSV_ROOT_INO 2 /* inode of root directory *//* Xenix super-block data on disk */#define XENIX_NICINOD 100 /* number of inode cache entries */#define XENIX_NICFREE 100 /* number of free block list chunk entries */struct xenix_super_block {u16 s_isize; /* index of first data zone */u32 s_fsize;// __packed2__; /* total number of zones of this fs *//* the start of the free block list: */u16 s_nfree;/* number of free blocks in s_free, <= XENIX_NICFREE */u32 s_free[XENIX_NICFREE]; /* first free block list chunk *//* the cache of free inodes: */u16 s_ninode; /* number of free inodes in s_inode, <= XENIX_NICINOD */sysv_ino_t s_inode[XENIX_NICINOD]; /* some free inodes *//* locks, not used by Linux: */char s_flock;/* lock during free block list manipulation */char s_ilock;/* lock during inode cache manipulation */char s_fmod; /* super-block modified flag */char s_ronly;/* flag whether fs is mounted read-only */u32 s_time;//__packed2__;/*time of last super block update*/u32 s_tfree;// __packed2__; /* total number of free zones */u16 s_tinode; /* total number of free inodes */s16 s_dinfo[4]; /* device information ?? */char s_fname[6]; /* file system volume name */char s_fpack[6]; /* file system pack name */char s_clean; /* set to 0x46 when filesystem is properly unmounted */ char s_fill[371];s32 s_magic; /* version of file system */s32 s_type; /* type of file system: 1 for 512 byte blocks2 for 1024 byte blocks3 for 2048 byte blocks */};/* SystemV FS comes in two variants:* sysv2: System V Release 2 (e.g. Microport), structure elements aligned(2).* sysv4: System V Release 4 (e.g. Consensys), structure elements aligned(4). */#define SYSV_NICINOD 100 /* number of inode cache entries */#define SYSV_NICFREE 50 /* number of free block list chunk entries *//* SystemV4 super-block data on disk */struct sysv4_super_block {u16 s_isize; /* index of first data zone */u16 s_pad0;u32 s_fsize; /* total number of zones of this fs *//* the start of the free block list: */u16 s_nfree;/* number of free blocks in s_free, <= SYSV_NICFREE */u16 s_pad1;u32 s_free[SYSV_NICFREE]; /* first free block list chunk *//* the cache of free inodes: */u16 s_ninode;/* number of free inodes in s_inode, <= SYSV_NICINOD */ u16 s_pad2;sysv_ino_t s_inode[SYSV_NICINOD]; /* some free inodes *//* locks, not used by Linux: */char s_flock; /* lock during free block list manipulation */char s_ilock; /* lock during inode cache manipulation */char s_fmod; /* super-block modified flag */char s_ronly; /* flag whether fs is mounted read-only */u32 s_time; /* time of last super block update */s16 s_dinfo[4]; /* device information ?? */u32 s_tfree; /* total number of free zones */u16 s_tinode; /* total number of free inodes */u16 s_pad3;char s_fname[6]; /* file system volume name */char s_fpack[6]; /* file system pack name */s32 s_fill[12];s32 s_state;/* file system state: 0x7c269d38-s_time means clean */s32 s_magic; /* version of file system */s32 s_type; /* type of file system: 1 for 512 byte blocks2 for 1024 byte blocks */};/* SystemV/Coherent inode data on disk */struct sysv_inode {u16 i_mode;u16 i_nlink;u16 i_uid;u16 i_gid;u32 i_size;union { /* directories, regular files, ... */unsigned char i_addb[3*(10+1+1+1)+1]; /* zone numbers: max. 10 data blocks, * then 1 indirection block,* then 1 double indirection block,* then 1 triple indirection block.* Then maybe a "file generation number" ??*//* named pipes on Coherent */struct {char p_addp[30];s16 p_pnc;s16 p_prx;s16 p_pwx;} i_p;} i_a;u32 i_atime; /* time of last access */u32 i_mtime; /* time of last modification */u32 i_ctime; /* time of creation */};/** SystemV/V7/Coherent FS inode data in memory*/struct sysv_inode_info {u32 i_data[10+1+1+1]; /* zone numbers: max. 10 data blocks,* then 1 indirection block,* then 1 double indirection block,* then 1 triple indirection block.*/};7.2 示例程序#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include"sysvfs.h"#include<ctype.h>main(int argc, char **argv){int i,j,k,typ,fd,L=5;char*file_sys,*tmp,buff[1024],buff_i[1025];struct sysv4_super_block *sbu;struct xenix_super_block *sbx;struct sysv_inode *inode;int inode_size, inode_no,blk_size;int i_start,d_start;long ll;ulong i_add[13];if(argc<3) {fprintf(stderr,"Usage:\n\t%argv[0] u|x filesystem\n",argv[0]);exit(1);}switch(argv[1][0]){case'U':case'u':typ=1;break;case'X':case'x':typ=2;break;default:typ=0;}file_sys=argv[2];if((fd=open(file_sys, O_RDONLY))==-1){fprintf(stderr,"File System '%s' OPEN error!\a\n",file_sys);exit(2);}if(lseek(fd,typ*512,SEEK_SET)!=typ*512){fprintf(stderr,"File System '%s' SEEK error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(3);}if(read(fd,buff,512*typ)!=512*typ){fprintf(stderr,"File System '%s' READ error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(4);}if(typ==1) goto unix_;if(typ==2) goto xenix_;exit(100);unix_:sbu=(struct sysv4_super_block *)buff;printf("index of first data zone:%x\n",sbu->s_isize);printf("s_pad0:%x\n", sbu->s_pad0);printf("total number of zones of this fs:%x\n",sbu->s_fsize);printf("/* the start of the free block list: */\n");printf("number of free blocks in s_free, <= SYSV_NICFREE:%x\n",sbu->s_nfree);printf("s_pad1:%x\t%ud\n", sbu->s_pad1, sbu->s_pad1);printf("/* the cache of free inodes: */\n");printf("number of free inodes in s_inode, <= SYSV_NICINOD:%x\n",sbu->s_ninode);printf("s_pad2:%x\n" ,sbu->s_pad2);printf("some free inodes:\n");printf("/* locks, not used by Linux: */\n");printf("time of last super block update:%x\n" ,sbu->s_time);printf("total number of free zones:%x\n" ,sbu->s_tfree);printf("total number of free inodes:%x\n" ,sbu->s_tinode);printf("file system volume name:%x\n" ,sbu->s_fname);char s_fpack[6]; /* file system pack name */printf("s_state:%x\n" ,sbu->s_state);/* file system state: 0x7c269d38-s_time means clean */printf("s_magic:%x\n" ,sbu->s_magic);/* version of file system *//* type of file system: 1 for 512 byte blocks */blk_size=512*sbu->s_type;i_start=2;d_start=sbu->s_isize;//+i_start-1;printf("Inode_from:%x\n",2*512*i_start);printf("Data_from:%x\n",2*512*d_start);inode_size=sizeof(struct sysv_inode);printf("Size of INODE struct= %d\n",inode_size);// get inode_noif(argc>=4){if(!isnum(argv[3])) inode_no=atoi(argv[3]);else{fprintf(stderr,"%s is not a INT");close(fd);exit(9);}}else {printf("\n\n\tPlease input INODE_NO:");scanf("%d",&inode_no);}printf("=========== inode=%d ==============\n",inode_no);--inode_no;j=inode_no*inode_size/1024;k=(inode_no*inode_size/*-1*/)%1024;j+=i_start;if((ll=lseek(fd,blk_size*j,SEEK_SET))!=blk_size*j){fprintf(stderr,"File System '%s' SEEK error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(5);}printf("LL=%dl\n",ll);if(read(fd,buff_i,blk_size)!=blk_size){fprintf(stderr,"File System '%s' READ error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(6);}tmp=buff_i+k;inode=(struct sysv_inode *)tmp;printf("i_mode=%x\n" ,inode->i_mode);printf("i_link=%x\n" ,inode->i_nlink);printf("I_ADDR:\n");for(i=0;i<40;i++) printf("%x| " ,inode->i_a.i_addb[i]);printf("I_ADDR_ALL:\n");for(i=0;i<64;i++) printf("%x| " ,tmp[i]);printf("\n");i=0;for(j=0;j<39;j+=3){i_add[i]=inode->i_a.i_addb[j]+256*inode->i_a.i_addb[j+1]+256*256*inode->i_a .i_addb[j+2];++i;}for(i=0;i<13;i++) printf("i_add[%d]=%d |", i,i_add[i]);printf("\n");// direct Blockfor(i=0;i<10;i++){if((ll=lseek(fd,blk_size*i_add[i],SEEK_SET))!=blk_size*i_add[i]){ fprintf(stderr,"File System '%s' SEEK error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(7);}if(read(fd,buff_i,blk_size)!=blk_size){fprintf(stderr,"File System '%s' READ error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(8);}buff_i[blk_size]='\0';fprintf(stderr,"%s",buff_i);}close(fd);exit('U');xenix_:sbx=(struct xenix_super_block *)buff;uint isize,nfree,ninode,tinode,*ii;ulong fsize,*ul;tmp=buff;isize=sbx->s_isize;tmp+=2;ul=(ulong *)tmp;fsize=*ul;printf("index of first data zone:%x\n",sbx->s_isize);printf("total number of zones of this fs:%lx\n",fsize);printf("/* the start of the free block list: */\n");tmp=buff;tmp+=6;nfree=tmp[0]+256*tmp[1];printf("number of free blocks in s_free, <= SYSV_NICFREE:%x\n",nfree);tmp=buff+1024-4;ll=*(long *)tmp;/* type of file system: 1 for 512 byte blocks */blk_size=512*ll;printf("blk_size=%d\n",blk_size);i_start=2;d_start=sbx->s_isize;//+i_start-1;printf("Inode_from:%x\n",2*512*i_start);printf("Data_from:%x\n",2*512*d_start);inode_size=sizeof(struct sysv_inode);printf("Size of INODE struct= %d\n",inode_size);// get inode_noif(argc>=4){if(!isnum(argv[3])) inode_no=atoi(argv[3]);else{fprintf(stderr,"%s is not a INT");close(fd);exit(9);}}else {printf("\n\n\tPlease input INODE_NO:");scanf("%d",&inode_no);}printf("=========== inode=%d ==============\n",inode_no);--inode_no;j=inode_no*inode_size/1024;k=(inode_no*inode_size)%1024;j+=i_start;if((ll=lseek(fd,blk_size*j,SEEK_SET))!=blk_size*j){fprintf(stderr,"File System '%s' SEEK error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(5);}printf("LL=%dl\n",ll);if(read(fd,buff_i,blk_size)!=blk_size){fprintf(stderr,"File System '%s' READ error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(6);}tmp=buff_i+k;printf("\n\n");for(i=0;i<sizeof(struct sysv_inode);i++) printf("%x| ",tmp[i]);inode=(struct sysv_inode *)tmp;printf("i_mode=%x\n" ,inode->i_mode);printf("i_link=%x\n" ,inode->i_nlink);printf("I_ADDR:\n");for(i=0;i<40;i++) printf("%x| " ,inode->i_a.i_addb[i]);printf("I_ADDR_ALL:\n");for(i=0;i<64;i++) printf("%x| " ,tmp[i]);printf("\n");i=0;for(j=0;j<39;j+=3){i_add[i]=inode->i_a.i_addb[j]+256*inode->i_a.i_addb[j+1]+256*256*inode->i_a .i_addb[j+2];++i;}for(i=0;i<13;i++) printf("i_add[%d]=%d |", i,i_add[i]);printf("\n");// direct Blockfor(i=0;i<10;i++){if((ll=lseek(fd,blk_size*i_add[i],SEEK_SET))!=blk_size*i_add[i]){ fprintf(stderr,"File System '%s' SEEK error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(7);}if(read(fd,buff_i,blk_size)!=blk_size){fprintf(stderr,"File System '%s' READ error!\a\n",file_sys);close(fd);exit(8);}fprintf(stderr,"%s",buff_i); // Maybe write to a file}close(fd);exit('X');}isnum(char *s){int i;for(i=0;s[i]!='\0';i++)if(!isdigit(s[i])) return 1;return 0;}八．运行结果及分析8.1 linux文件系统读取8.2 UNIX文件系统读取九．心得体会为期一周的课程设计即将告一段落，这次课程设计中，我收获了很多。