基于插桩技术的可视化操作系统虚拟实验室研究与实现

论文摘要

操作系统原理课程是高等学院计算机专业的一门重要专业基础课,亦是教学难度较大的一门课,实验教学环节是其主要难点。而实验教学环节普遍存在实践教学设备的缺乏和低效。本文提出一种基于插桩技术的可视化操作系统虚拟实验室VOSLS (A Visual Operating System Virtual Lab Based On Stub Method)。VOSLS主要包括两大部分：第一部分是为VOSLS开发的实验用操作系统内核,此内核融合了宏内核(Linux类操作系统内核)以及微内核(Minux操作系统内核)的优点,非常适合供学生实验。该内核主要包括引导模块、保护模式模块、页式存储模块、进程管理模块、输入输出系统模块、进程间通信模块、文件系统模块和内存管理模块等,每个模块都提供了相应的实验接口。这些模块采用渐进式搭建操作系统内核的方式供学生进行实验；第二部分是构建在实验用操作系统内核之上的VOSLS程序主体部分,主要是为学生提供高度集成和自动化的操作系统实验环境。该部分采用插桩方案调试用于实验的操作系统内核,将复杂的GDB调试协议简化为简单的插桩通信协议；以软盘或硬盘映像文件为媒介,与运行于虚拟机上的用于实验的操作系统通信,获取其运行信息,并采用可视化图形引擎技术将获得的运行信息以图形的方式呈现给用户。实际应用表明,借助该虚拟实验室,可缩短内核代码学习时间,简化实验编码步骤,图形化实验内核运行过程,有效提高实验教学效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 操作系统实验教学现状
• 1.2.2 操作系统实验教学工具现状
• 1.2.3 几款操作系统实验教学工具介绍
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文组织
• 第二章 预备知识
• 2.1 80×86保护运行模式
• 2.1.1 系统寄存器
• 2.1.2 实模式和保护模式
• 2.1.3 页变换
• 2.1.4 中断和异常
• 2.2 虚拟机技术
• 2.3 NASM汇编器介绍及C内嵌汇编
• 2.4 Makefile的编写
• 2.5 SWT
• 2.6 本章小结
• 第三章 VOSLS整体框架
• 3.1 概述
• 3.2 硬件架构
• 3.3 软件架构
• 3.4 自动编译框架
• 3.5 插桩调试框架
• 3.5.1 远程插桩调试的三层架构
• 3.5.2 远程插桩模块的设计
• 3.5.3 远程插桩调试示例
• 3.5.4 远程插桩调试的常用命令
• 3.6 实验总体框架
• 3.7 本章小结
• 第四章 VOSLS实验用操作系统内核设计与实现
• 4.1 概述
• 4.2 引导模块
• 4.3 保护模式与分页机制
• 4.4 进程管理模块
• 4.4.1 进程的存储结构
• 4.4.2 进程切换
• 4.4.3 进程的调度
• 4.5 输入输出系统模块
• 4.6 进程间通信模块
• 4.7 文件系统模块
• 4.8 内存管理模块
• 4.8.1 简单的内存管理策略
• 4.8.2 段页式内存管理策略
• 4.9 本章小结
• 第五章 VOSLS主要功能模块设计与实现
• 5.1 概述
• 5.2 操作系统代码编辑器模块
• 5.3 插桩调试模块
• 5.4 操作系统运行信息获取模块
• 5.5 可视化图形引擎模块
• 5.6 进程调度实验示例
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果