一、课程设计目的

知识方面：

1.掌握操作系统功能模块的设计与实现方法。

能力与素质方面：

1.能够在阅读和分析开源操作系统的基础上，对其进行功能模块划分；能够指出现有功能模块的不足，并能够通过文献的研究给出解决方案。

2.能够完成操作系统功能模块的设计、实现与测试，同时在设计操作系统功能模块中，能体现优化和创新意识。

3.能够制定合理的实验方案及对实验结果进行分析并得出结论，针对实验结果分析解决过程的影响因素，论证解决方案的合理性，以获得有效结论。

4.能够根据设计任务和要求组成团队，分工协作，并能承担个体、团队成员以及负责人的角色。

5.能够用口头和书面方式清晰表述设计原理及相关概念与原理，包括陈述发言，清晰表达和回应指令。

6.能够撰写比较规范的课程设计报告。

二、设计内容及具体要求

题目3：新增Linux驱动程序

增加一个驱动程序（使用内存模拟设备），使用模块编译方式。

要求：

（1）可以动态加载和卸载新的驱动。

（2）通过程序或命令行使用该驱动。

（3）至少能通过该驱动保存256MB的数据，还能将这些数据读取出来。

（4）要重新编译Linux内核，可模仿ramdisk的实现方式。

三、实验环境

物理机：Windows11 教育版

虚拟机：VMware Workstation Pro 16

虚拟机操作系统：CentOS 8 64位（CentOS-8.5.2111-x86_64）

Linux内核版本：linux-4.18.20

四、实验步骤-内核编译

在实验开始前，需要预先与队友统一实验环境中的虚拟机操作系统与Linux内核版本，以在后续的整合步骤中便于操作。

首先，在CentOS官网上点击“Download”，在该页面点击“x86_64”,并进入找到CentOS在国内的镜像下载站，选择进入南京大学的镜像下载站。http://mirrors.nju.edu.cn/centos/8.5.2111/isos/x86_64/

并下载文件大小约为10GB的iso文件，而不是文件大小约为800m的boot文件。

安装VMware Workstation 16 pro。由于之前已经装过VMware14，在更新过程中可能系统会提示安装失败的情况。经查阅相关资料，需要按图中流程进行操作：以管理员身份打开cmd，执行”sc stop vmx86& sc delete vmx86”和”sc stop vstor2-mntapi20-shared &sc delete vstor2-mntapi20-shared”。在”C:\Windows\System32\drivers\”目录下删除”vmx86.sys”、”vstor2-mntapi20-shared.sys”、”vstor2-x64.sys”。在”C:\windows\system32\drvstore”目录下删除所有前缀为”vmx86”的文件。同时，也要以管理员身份打开组策略编辑器（gpedit），在HEKY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE中删除与VMware有关的项目。

最后重启主机。运行VMware 16 Pro安装程序。至此，VMware虚拟机得以正确地安装。

打开VMware，点击“创建新的虚拟机”，运行安装向导。采用典型配置，进行简易安装，如图所示。

为了方便后续操作，可以将用户账户和根账户（root）的密码设置成1。

虚拟机网络采用网络地址转换NAT。在虚拟机操作系统安装完成后，即可直接连接外部网络。

在配置虚拟机硬件时，虚拟机内存可以分3GB。处理器可以分4个，每个处理器有两个内核，以在编译内核时可以使用8个内核运行编译。磁盘空间需要开足够大，使用80GB而不是默认推荐的20GB，以防止内核编译过程中出现磁盘空间不足的情况。同时，需要注意删去虚拟机硬件设置中的打印机与USB接口。否则，在物理机中可能会出现蓝屏的情况。

在虚拟机创建完成后，即可以启动虚拟机，配置系统。需要说明的是，CentOS 8的系统配置过程较为简单，只需等待其进度条读完后，即可以直接进入图形化界面。

为了方便地调出terminal控制台，可以在桌面右键设置Display Settings，在键盘上添加快捷键，如图，设置可以用快捷键打开控制台。

调出terminal控制台后，输入cat /proc/version，即可以查看当前使用的Linux内核版本号与gcc编译器版本号。

由于windows11系统可能与vmware的vmware tools不兼容，不能从主机直接拖文件向虚拟机，所以需要使用xftp共享文件夹的方式从主机向虚拟机传文件。Centos8的网络IP地址配置文件在/etc/sysconfig/network-scripts 文件夹下，名为ifcfg-ens160。在cmd输入ifconfig，得到本机dhcp时的IP地址inet。利用xftp进行连接，会话的主机就是本次ifconfig得到的ip地址。利用sftp协议。

下载需要进行编译的新的内核的版本。在本文中，选用linux-4.18.20版本。如图，已经成功将linux源码文件包传入。但是，如需直接传入/usr/src/kernels文件夹中，可能会因为权限问题而传输失败。所以，需要先将文件传入~/Desktop.在CentOS 8 中，可以直接双击解压，无需输入命令行。但在把Desktop的文件复制到/usr/src/kernels时，因为用户没有权限，所以只能通过命令行的形式将文件复制进入。执行如下语句：

sudo cp -r /home/zombotany/Desktop/linux-4.18.20 /usr/src/kernels

接下来的步骤为配置编译环境。需要说明的是，CentOS 8的编译环境安装过程与其他Linux发行版的安装流程区别较大。在此，将CentOS8的编译环境安装过程进行详细介绍。

首先，安装gcc。sudo yum install gcc

安装g++。在centos中，安装g++的命令需要写成sudo yum install gcc-c++ 在安装过程中可能会提示未找到匹配的包。经查阅相关资料，知道了是yum源的原因。于是安装 EPEL 源，使用最新版本8。执行语句：yum install https://dl.fedoraproject.org/pub/epel/epel-release-latest-8.noarch.rpm

在CentOS8中，安装devtoolset时，不能用yum，而是使用dnf.需要注意的是，scl在CentOS8的yum源中是不提供的。需要执行语句：sudo dnf -y group install "Development Tools"。

接下来，同样地，执行语句sudo dnf install devtoolset-9-gcc。

还需要安装的是bison、flex、gdb、make、bc等工具。这些语句在CentOS各个版本是相同的，不作赘述。

sudo yum install gdb -y

sudo yum install make -y

sudo yum install bison -y

sudo yum install flex -y

sudo yum install bc -y

在想要编译的文件夹中输入make，会被提示缺文件。被系统建议安装libelf-dev 或libelf-devel或efutils-libelf-devel

但是，只能安装第三个，前两个都不是centos能装的,只能执行sudo yum -y install efutils-libelf-devel。

在生成编译配置.config之前，还需要执行如下两条语句:

sudo yum install ncurses-devel -y

sudo yum install openssl-devel -y

在安装完如上文所述的所有依赖后，进入需要编译的内核所在的文件目录，执行命令:cd /usr/src/kernels/linux-4.18.20

在编译之前，首先需要执行清理命令。执行：make mrproper。在执行完之前残留的编译结果后，需要生成编译配置文件。执行make menuconfig，在等待数秒后，控制台会显示如图14的图形界面。利用键盘方向键进行选择，直接全部使用默认参数。选定save项，并采用默认的配置文件名.config，如图15所示。

输入make -j8，启动8个核开始编译。这一步骤大约需要一小时左右。如果发现系统很快执行完，则说明该步骤没有被正确地执行完毕，仍然存在较多文件没有被正确地编译。若报错missing file，则make相应的文件。若在make bzImage时又被提示”no rule to make target ‘certs/rhel.pem’”，则用vi编辑器打开.config文件，中注释掉CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS或写死CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS=””，解决该问题。该配置项大约在文件结束处。修改完成后，输入键盘的esc，并输入”:wq”退出并写入文件。

编译完成后生成了bzImage，该文件在目录arch/x86_64/boot下，如图17所示。编译完成后输入make modules编译模块。输入make modules_install安装模块，输入make install安装新内核。安装完成新内核后，输入reboot，进入新内核。