实验名称：实验6：编译内核及增加Linux系统调用
实验目的
- 1、熟悉Linux编译内核的流程与方法
- 2、熟悉系统调用的流程
实验内容
本次实验由两部分组成。
第一部分仅仅要求编译一个干净的内核且加载成功，并不需要对内核修改。
第二部分是修改已经编译成功的内核，为其增加新的系统调用，扩充系统服务，提供给用户使用。
实现系统调用psta，获取进程的若干信息。其原型如下:int psta(struct pinfo *buf);
参数buf指向一个缓冲区，用于存放进程信息。结构 pinfo定义如下:
struct pinfo {
int nice;/*进程的nice值*/
pid_t pid;/*进程ID*/
uid_t uid;/*进程拥有者的用户ID*/
};系统调用成功时的返回值为0，系统调用失败时应返回错误码EFAULT，表示 buf 指向非法地址空间。错误码定义见内核头文件asm-generic/errno和asm-generic/errno-base.h。
实验环境
- VMware
- Fedora7
实验作业
一、Fedora下内核编译
第一步、下载内核
首先要决定编译哪个版本的内核，一般情况下，待编译的内核(以下一律称新内核）的版本不低于当前正在运行的内核版本，如果两者版本差距较大，则可能需要更新如 gcc，binutils和 modutils之类的编译工具。我们只需要采用Linux发行版所对应的内核版本即可，这样所有内核编译工具都是现成的，无须更新，无疑减少了不必要的麻烦。先查看当前环境下的内核版本号:
可知本机内核版本号为2.6.23.17，在http://www.kernel/org/pub/linux/kernel/v2.6下载相应的内核压缩包。
本次实验采用2.6.21.tar.gz，下载到桌面之后，移动到/usr/src,并进行解压。
解压完成后，进入目录观察：
第二步、生成内核配置文件.config
Linux.内核代码非常庞大，适用于许多体系结构，包含了大量驱动程序。用户在生成内核的时候要根据实际情况进行配置。所有的配置将保存在内核代码树顶级目录下的一个名为.config 的配置文件中。生成正确的配置文件是内核编译过程中至关重要的一步。
配置文件可以从头开始生成，但是这没有必要。因为当前正在运行的内核已经有对应的配置文件，该文件在/boot目录下，利用它作为新内核配置文件的模板无疑是更好的做法。因此我们把该配置文件复制到/usr/src/linux-2.6.21.7目录下，命令如下:
make mrproper
cp /boot/config-`uname -r` ./.config介绍：`uname -r`uname 可显示电脑以及操作系统的相关信息。 -r或–release 显示操作系统的发行编号。 通过此命令便于我们进入相关的目录之下。
第一个命令“make mrproper”用来保证内核树是干净的，如果内核树已经编译过，该命令有效，如果内核树是第一次编译则可以省略该命令。
现在虽然有了模板，但是.config文件的配置并不一定囊括了新内核的所有编译选项（因为新内核可能是更新的版本，如2.6.23)，可以使用下面的命令:
make oldconfig
该命令读取.config文件并根据新内核版本更新它。具体过程是这样的，该命令输出新内核所有的配置项，如果配置项已经在.config中有设置，则输出设置值;如果是新项，程序会停下来要求用户输入设置值，值的具体含义见附录C。用户输入值后程序继续运行直到所有配置项处理完毕。用户也可以使用如下命令:
make silentoldconfig该命令的功能和“make oldconfig”相似，不过它不输出信息，除非是新选项需要用户输入的时候。到现在为止，生成的.config 文件就可以使用了，进入第3步。
第三步、编译和安装新内核
在编译内核之前，还可以定义用户自己的内核版本号,这样做是为了便于识别。在内核代码树的根目录下有文件Makefile
在编译内核之前，还可以定义用户自己的内核版本号，这样做是为了便于识别。在内核代码树的根目录下有文件Makefile，它的前4行是:
VERSION =2
PATCHLEVEL=6
SUBLEVEL =21
EXTRAVERSION =把第4行改成EXTRAVERSION = .7-ywl，这样新内核版本号就是2.6.21.7-ywl。
然后执行下面三个命令:
make all
make modules_install
make installmake all将生成期望的内核映像及模块
make modules_install将安装模块到“默认目录/lib/modules/<内核版本号>”下面。
make install最终将内核映像等几个文件复制到“/boot”目录,并修改引导程序的配置以启用该新内核。
如果上述三个命令均执行成功，可以观察到引导程序grub的配置文件/boot/grub/menu.Ist的文件内容:
为了以后能直接操作菜单，把 hiddenmenu那一行注释掉（行的最前面加一个“#”字符即可）或删除，为了方便反应，我将菜单出现的时间调整为20。
重启，启动新内核
发现新内核在其中，选择并启用
启动完毕，正常打开
二、添加past系统调用
若系统调用名为xxx，则内核对应的实现函数名一般为sys_xxx，据此我们把 psta系统调用对应的内核函数命名为 sys_psta。下面假定当前工作目录是/usr/src/linux-2.6.21.7，给出添加系统调用psta的基本过程。
(1)调整arch/i386/kernel/syscall_table.S
在文件 arch/i386/kernel/syscall_table.S 的尾部加上要新增的系统调用函数名称，如阴影行所示，注释中320表示它的系统调用号。
进入目录：
打开文件：
进行修改
(2)在include/linux目录下添加头文件psta.h
#ifndef _LINUX_PSTA_H
#define _LINUX_PSTA_H
struct pinfo
{
int nice;
pid_t pid;
uid_t uid;
};
#endif
(3)在kernel目录下新建文件psta.c
在该文件中实现sys_psta函数
#include <linux/linkage.h>
#include <linux/psta.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
asmlinkage int sys_psta( struct pinfo* buf)
{
buf->pid=current->pid;
buf->uid=current->uid;
buf->nice=10;
return 0;
}宏asmlinkage定义在文件 linux/linkage.h中，表示函数的参数通过栈传递，而不是通过寄存器，所有系统调用都遵循这种参数传递方式。
sys_psta的实现非常简单，无非就是把task_struct结构中的几个成员复制到用户态空间。值得一提的是，nice表示进程的优先级，取值范围为[-20，19]，数值越低表示优先级越高。内核没有直接存储nice值，而是通过一个简单的变换后将它存放在 task_struct结构的static_prio成员中。两者之间的转换关系见下面几个宏(位于文件 kernel/sched.c中)，其中MAX_RT_PRIO值为100。
#define NICE_TO_PRIO(nice) (MAX_RT_PRIO +(nice)+ 20)
#define PRIO_TO_NICE(prio) ((prio) - MAX_RT_PRIO - 20)
#define TASK_NICE(p) PRIO_TO_NICE((p)->static_prio)(4）修改文件 kernel/Makefile
使psta.c能在内核编译时可见。Makefile 中有如下一行:
obj-y= sched.o fork.o exec_domain.o panic.o printk.o profile.o\添加psta.o到该行中:
obj-y = psta.o sched.o fork.o exec_domain.o panic.o printk.o profile.o\
值得说明的是,第2步中sys_psta的实现不一定要放在一个新文件中,例如文件kernel/sys.c也许就是添加sys_psta系统调用的合适位置，这样第3步就没有必要了。
(5)修改include/asm-i386/unistd.h
在include/asm-i386/unistd.h里面加上系统调用号的宏定义，在该文件中有如下几行:
#define_NR_epoll_pwait319
#ifdef _KERNEL__
#define NR_syscalls 320可以看到，按照惯例系统调用号的宏名以“_NR_”开头，而其后跟着的数值则是系统调用号。此外，NR_syscalls表示的值应该是最大的系统调用号加一。所以修改后的内容如下:
(6）修改include/linux/syscalls.h
加上函数sys_psta的声明。在该文件的首部添加一行:#include <linux/psta.h> 在该文件的最后一行“#endif”之前添加一行:asmlinkage int sys_psta(struct pinfo *buf); 
(7）重新编译内核。
这里特别要提醒初学者， 因为我们已经有了正确的.config，最好备份一份到别的目录下以防被删除。上一次编译内核时已经在内核目录下生成了许多中间文件，所以本次编译内核之前要删除这些文件。这可以使用如下命令:
make mrproper该命令连.config文件都会删除,所以等命令执行完后需要把备份的.config文件复制回来，然后执行前面的第3步就可以了。因为新内核包含了用户自己的代码,所以很可能会在“ makeall”时因编译出错而停止，根据错误提示信息修改错误后，可以重复本步骤。
清空上次编译的中间文件:
三、简化实现
测试一
调用系统函数输出hello，
操作与之前一样：
测试程序：
#include<unistd.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<assert.h>
#include<errno.h>
struct pinfo
{
int nice;
pid_t pid;
uid_t uid;
};
int main(void)
{
assert(6==syscall(__NR_write,1,"hello",6));
return 0;
}运行图：
测试二
添加的系统调用会输出hello world，
操作与之前一样：
头文件：
#ifndef _LINUX_PSTA_H
#define _LINUX_PSTA_H
struct pinfo
{
int nice;
pid_t pid;
uid_t uid;
};
#endif.c文件
#include <linux/linkage.h>
#include <linux/psta.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
asmlinkage int psta( struct pinfo* buf)
{
//buf->pid=current->pid;
//buf->uid=current->uid;
//buf->nice=10;
printf("hello world");
return 0;
}测试程序：
#include<unistd.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<assert.h>
#include<errno.h>
struct pinfo
{
int nice;
pid_t pid;
uid_t uid;
};
int main(void)
{
struct pinfo info;
int ret;
ret=syscall(320,&info);
return 0;
}运行图：
实验结果
实现系统调用psta，获取进程的若干信息。
实验代码：
头文件与之前相同
.c文件
#include <linux/linkage.h>
#include <linux/psta.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
asmlinkage int sys_psta( struct pinfo* buf)
{
buf->pid=current->pid;
buf->uid=current->uid;
buf->nice=10;
return 0;
}测试程序：#include<unistd.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<assert.h>
#include<error.h>
#include<stdio.h>
struct pinfo{
int nice;
pid_t pid;
uid_t uid;
};
int main(void)
{
struct pinfo info;
int ret;
ret=syscall(320,&info);
printf("%d\n%d\n%d\n",info.pid,info.uid,info.nice);
return 0;
}运行图：
测试结果如下：
至此实验结束.
实验总结
这是操作系统的最后一次必选实验了，通过这次实验课我对操作系统的了解更深刻一步，在前几次的基础上我掌握了Linux文件系统的基本原理、结构和实现方法，并且掌握了Linux文件系统中文件的建立、打开、读/写、执行、属性等系统调用的使用，学会设计简单的文件系统并实现一组操作。学会利用系统调用完自己需要的功能。但还有很多需要改进的地方，比如写入文件的大小限制，还有容错性检验等等，还有很多不足之处。
