2024年6月12日发(作者：)
华北电力大学
实 验 报 告
实验名称
操作系统实验
课程名称
操作系统综合实验
专业班级： 学生姓名：
学 号：
成 绩：
指导教师： 实验日期：
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实验一
一．实验目的
（1）熟悉操作系统集成实验环境OS Lab的基本使用方法。
（2）练习编译、调试EOS操作系统内核以及EOS应用程序。
二．实验内容
（1）启动OS Lab；
（2）学习OS Lab的基本使用方法：练习使用OS Lab编写一个Windows控制台应用程序，
熟悉OS Lab的基本使用方法（主要包括新建项目、生成项目、调试项目等）；
（3）EOS内核项目的生成和调试 ： 对EOS内核项目的各种操作（包括新建、生成和各
种调试功能等）与对Windows控制台项目的操作是完全一致的；
（4）EOS应用程序项目的生成和调试；
（5）退出OS Lab 。
三．实验内容问题及解答
1） 练习使用单步调试功能（逐过程、逐语句），体会在哪些情况下应该使用“逐过程”
调试，在哪些情况下应该使用“逐语句”调试。练习使用各种调试工具（包括“监视”窗
口、“调用堆栈”窗口等）。
答：逐语句，就是每次执行一行语句，如果碰到函数调用，它就会进入到函数里
面。 而逐过程，碰到函数时，不进入函数，把函数调用当成一条语句执行。
因此，在需要进入函数体时用逐语句调试，而不需要进入函数体时用逐过程调试。
2） 思考生成EOS SDK文件夹的目的和作用。查看EOS SDK文件夹中的内容，明白文
件夹的组织结构和各个文件的来源和作用。查看EOS应用程序包含了SDK文件夹中的哪
些头文件，是如何包含的？
答：EOS SDK是为应用程序调用系统API提供服务，可作为用户编程中可使用的
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工具包集合。
EOS SDK文件夹主要包括INC头文件、LIB文件夹 导入库文件和BIN文件夹 动
态链接库，可执行程序，二进制文件。
EOS SDK包含的头文件有：eos.h负责导出API函数声明；eosdef.h负责导出函
数类型的定义；error.h 负责导出错误码。
四．实验过程
1.新建Windows控制台应用程序
生成项目：
执行项目：
调试项目：
2.
使用断点终端执行：
查看EOS SDK（Software Development Kit）文件夹：
修改EOS应用程序项目名称 ：
五．实验心得
这次是验证性试验，具体步骤和操作方法都是与实验教程参考书上一致，实
验很顺利，实验过程没有遇到困难。通过这次实验，我掌握了OS Lab启动和
退出操作；练习使用OS Lab编写一个Windows控制台应用程序，熟悉OS Lab
的基本使用方法新建项目、生成项目、调试项目等。
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实验2 操作系统的启动
一．实验目的
1.跟踪调试EOS在PC机上从加电复位到成功启动的全过程，了解操作系统的启动过程。
2.查看EOS启动后的状态和行为，理解操作系统启动后的工作方式。
二．实验内容
1. 调试EOS操作系统的启动过程。
2.调试加载程序。Loader程序的主要任务是将操作系统内核（文件）加载
到内存中，然后让CPU进入保护模式并且启用分页机制，最后进入操作系统内核开始执
行（跳转到的入口点执行）。
3.调试内核。
启动后的状态和行为。查看EOS的版本号：
1）在控制台中输入命令“ver”后按回车。
2）输出EOS版本后的控制台如下图所示。
5 查看有应用程序运行时进程和线程的信息：
1）待 EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“hello”后按回车。此时
应用程序就开始执行。
2）迅速按Ctrl+F2切换到控制台2，并输入命令“pt”后按回车。输出的进程和线程
信息如下图所示
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三．实验内容问题及解答
1. 为什么EOS操作系统从软盘启动时要使用和两个程序？使用一个
可以吗？它们各自的主要功能是什么？如果将的功能移动到文件中，
则文件的大小是否仍然能保持小于512字节？
在IDE环境启动执行EOS操作系统时，会将、和三个二
进制写入软盘镜像文件中，然后让虚拟机来执行软盘中的EOS操作系统。
仅使用其中一个是不能运行的。
2. 软盘引导扇区加载完毕后内存中有两个用户可用的区域，为什么软盘引导扇区程序选择
将加载到第一个可用区域的0x1000处呢？这样做有什么好处？这样做会对
文件的大小有哪些限制。
首先用户只用两个可用区域，加载位置非此即彼。第一个可用用户区是低地址区，且空
间大小比较小，适合容纳小文件，所以我们选择将占用空加载到第一用户区。
优点：由低地址开始，便于检索查找。小文件占用小空间，节约资源。
限制：文件必须小于1c00k.
3. 练习使用Bochs单步调试BIOS程序、软盘引导扇区程序和loader程序，加深对操作系
统启动过程的理解。
实验3 进程的创建
一.实验目的
一． 练习使用EOS API函数CreateProcess创建一个进程，掌握创建进程的方法，理
解进程和程序的区别。
二． 调试跟踪CreateProcess函数的执行过程，了解进程的创建过程，理解进程是资
源分配的单位。
二．实验内容
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1. 准备实验. 启动OS Lab。
2. 练习使用控制台命令创建EOS应用程序的进程
3. 练习通过编程的方式让应用程序创建另一个应用程序的进程
4. 调试CreateProcess函数
5. 调试PsCreateProcess函数”。
6. 练习通过编程的方式创建应用程序的多个进程
三．实验内容问题及解答
1. 在源代码文件NewTwoProc.c提供的源代码基础上进行修改，要求使用
同时创建10个进程。
使用PROCESS_INFORMATION类型定义一个有10 个元素的数组，每一个元素对应一个进
程。
2. 学习本书第5章中的5.2节，了解关于线程的相关知识，然后尝试调试
PspCreateThread函数，观察线程控制块（TCB）初始化的过程。
3. 在PsCreateProcess函数中调用了PspCreateProcessEnvironment函数后又先
后调用了PspLoadProcessImage和PspCreateThread函数，学习这些函数的主要功
能。能够交换这些函数被调用的顺序吗？思考其中的原因。
PspCreateProcessEnvironment 创建了地址空间和分配了句柄表。
PspLoadProcessImage是将进程的可执行映像 加载到了进程的地址空间中。
PspCreateThread创建了进程的主线程。这三个函 4 知道自己要从哪里开始执行，执行哪
些指令。因此不能交换他们的顺序。
四．实验心得
本实验主要的问题就是用同时创建10个进程：因为编程基础不好，刚开始的
程序很难通过编译.最后使用PROCESS_INFORMATION类型定义一个有10个元素的数
组，每一个元素对应一个进程。使用一个循环创建10个子进程，然后再使用一个循环等
待10个子进程结束，得到退出码后关闭句柄。并对细节做了部分修正才成功。
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实验4线程的状态和转换
一．实验目的和要求
1. 调试线程在各种状态间的转换过程，熟悉线程的状态和转换。
2. 通过为线程增加挂起状态，加深对线程状态的理解。
二．实验内容及步骤
1.准备实验。
2.调试线程状态的转换过程。
3.线程由阻塞状态进入就绪状态
4. 线程由运行状态进入就绪状态
5. 线程由就绪状态进入运行状态
6线程由运行状态进入阻塞状态.
7. 为线程增加挂起状态
8. 完成Resume原语后，可以先使用suspend命令挂起loop线程，然后在控制台2中
输入命令“Resume 31”（如果loop线程的ID是31）后按回车。命令执行成功的结果如
下图所示。如果切换回控制台1后，发现loop线程的执行计数恢复增长就说明Resume原
语可以正常工作。
三．实验内容问题及解答
1. 思考一下，在本实验中，当loop线程处于运行状态时，EOS中还有哪些线程，它们分
别处于什么状态。可以使用控制台命令pt查看线程的状态。
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2. 当loop线程在控制台1中执行，并且在控制台2中执行suspend命令时，为什么控制台
1中的loop线程处于就绪状态而不是运行状态？
3. 在本实验3.2节中只调试了图5-3中显示的最主要的四种转换过程，对于线程由新建进
入就绪状态，或者由任意状态进入结束状态的转换过程还没有调试，请读者找到这两个转
换过程执行的源代码，自己练习调试。
4. 总结一下在图5-3中显示的转换过程，哪些需要使用线程控制块中的上下文（将线程控
制块中的上下文恢复到处理器中，或者将处理器的状态复制到线程控制块的上下文中），
哪些不需要使用，并说明原因。
5. 在本实验3.2节中总结的所有转换过程都是分步骤进行的，为了确保完整性，显然这些
转换过程是不应该被打断的，也就是说这些转换过程都是原语操作（参见本书第2.6节）。
请读者找出这些转换过程的原语操作（关中断和开中断）是在哪些代码中完成的。（提示，
重新调试这些转换过程，可以在调用堆栈窗口列出的各个函数中逐级查找关中断和开中断
的代码。）
6. 修改EOS源代码，对已经实现的线程的挂起状态进行改进。首先，不再使用Zero状态
表示静止就绪状态，在枚举类型THREAD_STATE中定义一个新的项用来表示静止就绪状
态，并对PsSuspe
ndT
hread函数进行适当修改。其次，处于阻塞状态和运行状态的线程
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也应该可以被挂起并被恢复，读者可以参考第5.2.4节中的内容以及图5-5来完成此项改
进。注意要设计一些方案对所修改的代码进行全面的测试，保证所做的改进是正确的。如
果完成了以上改进，请思考一下控制台命令pt需要进行哪些相应的修改？
设计代码
STATUS
PsResumThread(
IN HANDLE hThread
)
{
STATUS Status;
BOOL IntState;
PTHREAD Thread;
Status = ObRefObjectByHandle(hThread, PspThreadType, (PVOID*)&Thread);
if (EOS_SUCCESS(Status)) {
IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); // 关中断
if (Zero == Thread->State) {
ListRemoveEntry(&Thread->StateListEntry);
PspReadyThread(Thread);
PspThreadSchedule();
Status = STATUS_SUCCESS;
} else {
Status = STATUS_NOT_SUPPORTED;
}
KeEnableInterrupts(IntState); // 开中断
ObDerefObject(Thread);
}
return Status;
}
实验5 进程的同步
一. 实验目的和要求
1. 使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。2. 通过为
线程增加挂起状态，加深对线程状态的理解。
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2. 调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。
3. 修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进程同步
的原理。
二．实验内容及步骤
１.实验准备
1）启动OS Lab。
2）新建一个EOS Kernel项目。
3）生成EOS Kernel项目，从而在该项目文件夹中生成SDK文件夹。
4）新建一个EOS应用程序项目。
5）使用在第3步生成的SDK文件夹覆盖EOS应用程序项目文件夹中的SDK文件夹。
２. 使用EOS的信号量解决生产者－消费者问题
1）使用pc.c文件中的源代码，替换之前创建的EOS应用程序项目中EOSApp.c文件内
的源代码。
２）按F7生成修改后的EOS应用程序项目。
3）按F5启动调试。OS Lab会首先弹出一个调试异常对话框。
4）在调试异常对话框中选择“否”，继续执行。
5）立即激活虚拟机窗口查看生产者－消费者同步执行的过程，如图1
6）待应用程序执行完毕后，结束此次调试。
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图 1
3调试EOS信号量的工作过程.
1.创建信号量: 信号量结构体（SEMAPHORE）中的各个成员变量是由API函数
CreateSemaphore的对应参数初始化的，查看main函数中创建Empty和Full信
号量使用的参数有哪些不同，又有哪些相同，思考其中的原因。
2. 等待、释放信号量
1) 等待信号量（不阻塞）: 生产者和消费者刚开始执行时，用来放产品的缓冲区都是
空的，所以生产者在第一次调用WaitForSingleObject函数等待Empty信号量时，
应该不需要阻塞就可以立即返回
2) 释放信号量（不唤醒）: 生产者线程通过等待Empty信号量使空缓冲区数量减少
了1，通过释放Full信号量使满缓冲区数量增加了1，这样就表示生产者线程生产了一
个产品并占用了一个缓冲区。
3) 等待信号量（阻塞）: 由于开始时生产者线程生产产品的速度较快，而消费者线程消
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费产品的速度较慢，所以当缓冲池中所有的缓冲区都被产品占用时，生产者在生产新的产
品时就会被阻塞.
4) 释放信号量（唤醒）: 只有当消费者线程从缓冲池中消费了一个产品，从而产生一
个空缓冲区后，生产者线程才会被唤醒并继续生产14号产品.
4. 修改EOS的信号量算法
1)要求:在目前EOS Kernel项目的ps/semaphore.c文件中，
PsWaitForSemaphore函数的Milliseconds参数只能是INFINITE，
PsReleaseSemaphore函数的ReleaseCount参数只能是1。现在要求同时修改
PsWaitForSemaphore函数和PsReleaseSemaphore函数中的代码，使这两个参数能
够真正起到作用，使信号量对象支持等待超时唤醒功能和批量释放功能。
2)测试:
a. 使用修改完毕的EOS Kernel项目生成完全版本的SDK文件夹，并覆盖之前的生
产者－消费者应用程序项目的SDK文件夹。
b. 按F5调试执行原有的生产者－消费者应用程序项目，结果必须仍然与图1一致。
如果有错误，可以调试内核代码来查找错误，然后在内核项目中修改，并重复步骤a。
实验六 时间片轮转调度
一.实验目的及要求
1．调试EOS的线程调度程序，熟悉基于优先级的抢先式调度。
2．为EOS添加时间片轮转调度，了解其它常用的调度算法。
二．实验内容及步骤
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1.准备实验
2. 阅读控制台命令“rr”相关的源代码
3.调试线程调度程序
a）调试当前线程不被抢先的情况
b) 调试当前线程被抢先的情况
三． 为EOS添加时间片轮转调度
a）要求：修改ps/sched.c文件中的PspRoundRobin函数(第337行)，在其中实
现时间片轮转调度算法。
b）测试：
三．实验内容问题及解答
修改线程时间片的大小：
在成功为EOS 添加了时间片轮转调度后，将ps/psp.h第104行定义的
TICKS_OF_TIME_SLICE的值修改为1。在EOS控制台中输入命令“rr”后按回车。观察
执行的效果。 还可以按照上面的步骤为 TICKS_OF_TIME_SLICE 取一些其它的极端值，
例如 20 或 100 等，分别观察“rr”命令执行的效果。通过分析造成执行效果不同的原
因，理解时间片的大小对时间片轮转调度造成的影响。
a) TICKS_OF_TIME_SLICE的值为1
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b) TICKS_OF_TIME_SLICE的值为20
c) TICKS_OF_TIME_SLICE的值为100
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实验七 物理存储器与进程逻辑地址空间的
管理
一.实验目的及要求
1. 使用EOS的信号量，编程解决生产者—消费者问题，理解进程同步的意义。2. 通
过为线程增加挂起状态，加深对线程状态的理解。
2. 调试跟踪EOS信号量的工作过程，理解进程同步的原理。
3. 修改EOS的信号量算法，使之支持等待超时唤醒功能（有限等待），加深理解进
程同步的原理。
二．实验内容及步骤
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(1)、准备实验
(2)、执行控制台命令“pm”，查看物理存储器的信息
(3)、分配物理页和释放物理页:
a. 在pm命令函数中添加分配物理页和释放物理页的代码
b. 单步调试分配物理页和释放物理页
(4)、执行控制台命令“vm”，查看系统进程的虚拟地址描述符信息
执行控制台命令“vm”，查看当创建了一个应用程序进程后，系统进程和应用程
序进程中虚拟地址描述符的信息
(5)、在系统进程中分配虚拟页和释放虚拟页
(6)、在应用程序进程中分配虚拟页和释放虚拟页
(7)、结束实验
三．实现代码及其说明：
INT *d;
if(d = VirtualAlloc(0,sizeof(int),MEM_RESERVE|MEM_COMMIT)){// 调用API
函数VirtualAlloc，分配一个整型变量所需的空间，并使用一个整型变量的指针指向
这个空间
printf("Allocated %d bytes virtual memory of 0x%xnn",sizeof(int),d);
printf("virtual memory original value:0x%xnn",*d);
*d = 0xFFFFFFFF;// 修改整型变量的值为0xFFFFFFFF
printf("virtual memory new value:0x%xnn",*d);
printf("nWait for 10 secondsn");
Sleep(10000);// 调用API函数Sleep，等待10秒钟。
if(VirtualFree(d,0,MEM_RELEASE))// 调用API函数VirtualFree，释放之前分
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配的整型变量的空间
printf("nRealease virtual memory success!n");
else
printf("realease errorn");
printf("nEndless loop!");
for(;;);
}
else
{
printf("errorn");
return -1;//若不能成功分配，打印出error ，返回-1.
}
printf("Hello world!n");
return 0;
四．心得体会
本次实验主要问题在于如何处理异常情况，也就是程序的健壮性。最开始调试结果不
正确，在老师指导下进行了分步调试，修改了部分代码，最后成功了。最大的收获是：熟
练对代码分步调试，找出错误。
实验八 分页存储器管理
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一．实验目的与要求
1.学习i386处理器的二级页表硬件机制，理解分页存储器管理原理。
2.查看EOS应用程序进程和系统进程的二级页表映射信息，理解页目录和页表的管
理方式。
3.编程修改页目录和页表的映射关系，理解分页地址变换原理。
二．实验步骤与代码：
设计代码
PRIVATE
VOID
ConsoleCmdMemoryMap(IN HANDLE StdHandle){
BOOL IntState;
ULONG PfnOfPageDirectory;
ULONG PageTotal = 0;
ULONG IndexOfDirEntry;
ULONG IndexOfTableEntry;
PMMPTE_HARDWARE pPde;
PMMPTE_HARDWARE pPte;
ULONG_PTR PageTableBase;
ULONG_PTR VirtualBase;
const char* OutputFormat = NULL;
ASSERT(PspCurrentProcess == PspSystemProcess);
IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); // 关中断
ULONG PfnArray[2];
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号
((PMMPTE_HARDWARE)0xC0300000)[IndexOfDirEntry].PageFrameNumb
MiAllocateZeroedPages(2, PfnArray);
OutputFormat = "New page frame number: 0x%X, 0x%Xn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, PfnArray[0], PfnArray[1]);
KdbPrint(OutputFormat, PfnArray[0], PfnArray[1]);
IndexOfDirEntry = (0xE0000000 >> 22); // 虚拟地址的高 10 位是 PDE 标
er = PfnArray[0];
((PMMPTE_HARDWARE)0xC0300000)[IndexOfDirEntry].Valid = 1; //
有效
((PMMPTE_HARDWARE)0xC0300000)[IndexOfDirEntry].Writable = 1; //
可写
MiFlushEntireTlb(); // 刷新快表
PageTableBase = 0xC0000000 + IndexOfDirEntry * PAGE_SIZE;
IndexOfTableEntry = (0xE0000000 >> 12) & 0x3FF;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].PageFrameN
umber = PfnArray[1];
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Valid = 1;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Writable
MiFlushEntireTlb(); // 刷新快表 = 1;
IndexOfTableEntry = (0xE0001000 >> 12) & 0x3FF;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].PageFrameN
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umber = PfnArray[1];
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Valid = 1;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Writable = 1;
MiFlushEntireTlb(); // 刷新快表
OutputFormat = "Read Memory 0xE0001000: %dn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, *((PINT)0xE0001000));
KdbPrint(OutputFormat, *((PINT)0xE0001000));
*((PINT)0xE0000000) = 100; // 写共享内存
fprintf(StdHandle, OutputFormat, *((PINT)0xE0001000));
KdbPrint(OutputFormat, *((PINT)0xE0001000));
OutputFormat = "nCR3->0x%Xn";
PfnOfPageDirectory =
(ULONG)(PspSystemProcess->Pas->PfnOfPageDirectory);
fprintf(StdHandle, OutputFormat, PfnOfPageDirectory);
KdbPrint(OutputFormat, PfnOfPageDirectory);
for(IndexOfDirEntry = 0; IndexOfDirEntry
+
<
pPde
IndexOfDirEntry
PTE_PER_TABLE;
=
*
IndexOfDirEntry++){
(PMMPTE_HARDWARE)((ULONG_PTR)PDE_BASE
PTE_SIZE);
if(!pPde->Valid)
continue;
OutputFormat = "PDE: 0x%X (0x%X)->0x%Xn";
VirtualBase = (IndexOfDirEntry << PDI_SHIFT);
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fprintf(StdHandle, OutputFormat, IndexOfDirEntry, VirtualBase,
pPde->PageFrameNumber);
KdbPrint(OutputFormat, IndexOfDirEntry, VirtualBase,
pPde->PageFrameNumber);
PageTableBase = (ULONG_PTR)PTE_BASE + IndexOfDirEntry *
PAGE_SIZE;
for(IndexOfTableEntry = 0; IndexOfTableEntry < PTE_PER_TABLE;
IndexOfTableEntry++)
{ pPte = (PMMPTE_HARDWARE)(PageTableBase +
IndexOfTableEntry * PTE_SIZE);
if(!pPte->Valid)
continue;
OutputFormat = "ttPTE: 0x%X (0x%X)->0x%Xn";
VirtualBase = (IndexOfDirEntry << PDI_SHIFT) |
(IndexOfTableEntry << PTI_SHIFT);
fprintf(StdHandle, OutputFormat, IndexOfTableEntry, VirtualBase,
pPte->PageFrameNumber);
KdbPrint(OutputFormat, IndexOfTableEntry, VirtualBase,
pPte->PageFrameNumber);
}}
OutputFormat = "nPhysical Page Total: %dn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, PageTotal);
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号
}
KdbPrint(OutputFormat, PageTotal);
OutputFormat = "Physical Memory Total: %dnn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, PageTotal * PAGE_SIZE);
KdbPrint(OutputFormat, PageTotal * PAGE_SIZE);
OutputFormat = "nNonused Page Count: %dn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, MiGetAnyPageCount());
KdbPrint(OutputFormat, MiGetAnyPageCount());
IndexOfDirEntry = (0xE0000000 >> 22); // 虚拟地址的高 10 位是 PDE 标
PageTableBase = 0xC0000000 + IndexOfDirEntry * PAGE_SIZE;
IndexOfTableEntry = (0xE0000000 >> 12) & 0x3FF;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Valid = 0;
IndexOfTableEntry = (0xE0001000 >> 12) & 0x3FF;
((PMMPTE_HARDWARE)PageTableBase)[IndexOfTableEntry].Valid = 0;
((PMMPTE_HARDWARE)0xC0300000)[IndexOfDirEntry].Valid = 0;
MiFlushEntireTlb();
MiFreePages(2, PfnArray);
OutputFormat = "nNonused Page Count: %dn";
fprintf(StdHandle, OutputFormat, MiGetAnyPageCount());
KdbPrint(OutputFormat, MiGetAnyPageCount());
KeEnableInterrupts(IntState); // 开中断
三.实验问题内容及解答
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思考页式存储管理机制的优缺点。
优点：
1. 虚存量大，适合多道程序运行，用户不必担心内存不够的调度操作，动态页式管理
提供反了内存与外存图图统一管理的虚存实现方式。
2. 内存利用率高，不常用的页面尽量不留在内存。
3. 不要求作业连续存放，有效的解决了内存碎片问题。
缺点：
1. 要进行页面中断，缺页中断等处理，系统开销较大；
2. 有可能产生“抖动”现象；
3. 地址变换机构复杂，一般采用硬件实现，增加了机器成本。
实验心得与体会
通过操作系统试验 ，了解了操作系统的启动过程 ，运行方式，加深了对计算机 操
作系统的理解 。
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