Разработка Linux-приложений

1.Обзор предмета

linux программирование операционный система

Курс «Операционные системы и оболочки» рассчитан на ознакомление с основным инструментарием и возможностями различных операционных систем, в частности подробное ознакомление с семействами Windows и Linux.

Помимо теоретического материала, включающего в себя подробное рассмотрение истории развития операционных систем, их структуры, особенностей реализации и т. д., было сделано 7 лабораторных работ, целью которых было непосредственное ознакомление с инструментарием и внутренним устройством операционных систем упомянутых выше семейств.

Итогом курса стала курсовая работа, состоящая в разработке трёх приложения для системы семейства Linux, используя такой язык программирования, как С++.

2.Постановка задачи

Целью данной работы была выработка навыков программирования с использованием терминала в Unix подобных системах.

Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:

— Установить на персональном компьютере одни из Unix подобных систем;

— Написать приложение для Linux, управляющее светодиодами клавиатуры CAPS, SCROLL, NUM lock через драйвер консоли tty (4) и реализующее новогоднюю гирлянду в нескольких режимах работы: бегущие огни, случайное мерцание, цветомузыка;

— Написать приложение для Linux, управляющее лотком CD-привода через драйвер cdrom и реализующее несколько новогодних танцев из балета 'Щелкунчик': танец феи Драже, вальс Цветов;

— Написать приложение для Linux, управляющее встроенной пищалкой через драйвер pcspkr и реализующее несколько незамысловатых звуковых эффектов: сирену, барабанную дробь.

3.Решение

Для выполнения поставленных целей была выбрана операционная система Ubuntu 12.10. С помощью программы LinuxLive USB Creator 2.8.18 была создана загрузочный flash-накопитель, с которого велась установка новой операционной системы. После изменения настроек приоритета Boot в BIOS, была произведена установка Ubuntu параллельно с уже установленной Windows (которая после всего выше описанного перестала грузиться).

Имея среду разработки, были написаны следующие программы 1led. c, 2cd. c, 3musicbox.c.

4.Общие сведения о запуске

Для запуска программ выполним следующие операции:

1. Открытие терминала (можно воспользоваться Ctrl + Alt + T);

2. Для проверки файла можем воспользоваться:

ls (Выводит список файлов и каталогов по порядку, можем использовать для проверки наличия файла в данной директории);

nano (вызов редактор в терминале).

3. Необходимо запустить стандартный компилятор, для этого вводим команду:

gcco program_name program_name.c, где:

gcc (или cc) — компилятор С;

— о — параметр для записи результата в файл;

program_name — имя будущего исполняемого файла;

program_name.c — исходный файл с нашей программой.

Для удобства файл программы следует хранить в директории ~/bin внутри директории /Home. Это позволит запускать программу из любой текущей директории. Создать её можно с помощью «mkdir».

4. Запуск осуществляется с помошью команды

sudo ./program_name *parameters*, где

sudo — режим суперпользователя, команда потребует ввода пароля;

./program_name — директория и имя исполняемого файла;

*parameters* - перечисление возможных параметров программы.

5. Получение результата программы.

Рис. 1. Иллюстрация корректности компиляции всех 3-х программ и получение 3-х исполняемых файлов.

Рис.

5.Запуск программы 1led c sudo ./led 1

Программа работает в режиме «1» — поочерёдное мигание каждого из светодиодов создает эффект гирлянды. Для этого реализован цикл из 3 итераций для того, чтобы функции ioctl (fd, KDSETLED, LED[j]) в качестве параметра передавать поочерёдно из массива идентификатор каждого из светодиодов. Мигание представляет собой включение и отключение (ioctl (fd, KDSETLED, 0)) светодиодов через некоторые интервалы времени. Программа совершает 25 итераций, после чего мы вновь можем обращаться к терминалу.

6.Запуск программы 1led с sudo ./led 2

Программа работает в режиме «2» — случайное мигание одного из светодиодов. Генерация случайного значение происходит таким образом: ioctl (fd, KDSETLED, LED[rand ()%3]). Программа совершает 25 итераций, после чего мы вновь можем обращаться к терминалу.

При неверном вводе параметров будет выдано сообщение об ошибки, после чего мы вновь можем обращаться к терминалу.

Запуск программы 2cd. c sudo ./cd В данном случае запуск производится без параметров. Благодаря функциям открытия дисковода (ioctl (fd, CDROMEJECT, 0)) и его закрытия (ioctl (fd, CDROMCLOSETRAY, 0)) реализуется подобие «танца» под саундтрек к фильму «Звездные Войны».

Запуск программы 3musicbox. c sudo modprobe pcspkr sudo ./ music

Перед запуском программы необходимо включить pcspkr — спикер персонального компьютера. После запуска программы воспроизводятся мелодии, определяемые параметрами:

1 — эффект сирены (нарастание и убывание частоты звучание спикера)

2 — эффект барабанной дроби

3 — воспроизведение композиции «В лесу родилась ёлочка».

Изначально мы тестировали мелодии в Windows MVS с помощью функции beep. Затем мы преобразовали из 10-ой системы (с которой работает beep) счисления в 16-ую (в ней формируются системные вызовы) с помощью такой операции: 1 193 180/frequency. Где было возможно, мы явно преобразовывали в 16-ую систему счисления. Также продолжительность для вызовов терминала пришлось увеличить, умножив на 1000. Подобное решение было взято, после прочтения следующего форума: http://ubuntuforums.org/showthread.php?t=873 679.

Тестирование В первую очередь тестирование проводилось путём обычного запуска программ. Все три программы корректно запускаются и выполняются.

Также использовался трассировщик:

sudo strace program_name

Рис. 2. Часть данных, полученных после трассировки первой программы.

Как мы видим, в ходе исполнения первой программы, сначала открывается файловый дескриптор Файловый дескриптор — это неотрицательное целое число. Когда создается новый поток ввода-вывода, ядро возвращает процессу, создавшему поток ввода-вывода, его файловый дескриптор (Wikipedia.org)., значение которого равно 3, то есть неотрицательно, а значит корректно. Далее strcmp — проверка параметров, ioctl — системные вызовы функций с идентификатором 19 250 и параметром в 16-ой системе счисления. Все описанные функции вернули 0, что гарантирует корректность их работы.

Для второй программы можно увидеть следующее: сначала запускается музыка, затем открывается дисковод, потом воспроизводится фрагмент емлодии, затем дисковод закрывается и так далее.

Третья программа также корректно работает во всех 3-х режимах.

Для эксперимента программа также запускалась на компьютере, без функции закрытия cd лотка и без драйвера для спикера. Были получены следующие результаты:

Рис. 3. Часть данных, полученных после трассировки второй программы на компьютере, без функции закрытия cd лотка и без драйвера для спикера.

Видно, что в случаях обращения к несуществующим функциям, возвращается -1, после чего программа выполняется дальше. При отсутствии драйвера программа не находит устройство (что вполне логично). При обращении к драйверу с несуществующей функцией, системы выдаёт ошибку ввода-вывода, что тоже логично.

7.Анализ результатов

Была успешно установлена операционная система Ubuntu семейства Linux.

Были разработаны 3 приложения, каждое из которых работает.

Нами были закреплены навыки использования терминала для управления персональным компьютером, как то:

— использование стандартных команд;

— написание своих программ, в частности во встроенном редакторе, их сборка и отладка;

— тестирование команд с помощью стандартных средств, изучений обращений программ к уже готовым функциям, драйверам и библиотекам.

Источники

1.http://ubuntu.ru/

2.http://lxr.linux.no/linux/

3.http://www.linuxmanpages.com/man4/console.4.php

4.http://www.linuxmanpages.com/man4/console_ioctl.4.php

5.http://lxr.linux.no/linux+v3.6.6/Documentation/ioctl/cdrom.txt#L251

6.http://lxr.linux.no/linux+v3.6.6/Documentation/ioctl/cdrom.txt#L270

7.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A9%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D1%83%D0%BD%D1%87%D0%B8%D0%BA

8.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%E0%E9%EB%EE%E2%FB%E9_%E4%E5%F1%EA%F0%E8%EF%F2%EE%F0

9.http://ubuntuforums.org/showthread.php?t=873 679

10.man — (manual) — команда вызова справки через терминал (manual)

Приложение

1. Программа 1led. c

#include

int main (int argc, char *argv[])

{

int fd = 0;

char leds;

int i=0;

char LED[] = {LED_NUM, LED_CAP, LED_SCR};

int inter = 0;

fd = open («/dev/console», O_RDWR);

if (fd<0) {

perror («open (/dev/console)»);

return 1; }

ioctl (fd, KDGETLED, &leds);

if (argc ≠ 2)

{

printf («%sn» ," Error. Rewrite parametrs!");

return 2;

}

if (strcmp (argv[1]," 1″)==0)

{

int j=0;

for (i=0;i<25;i++)

{

for (j=0;j<3;j++)

{

ioctl (fd, KDSETLED, 0);

ioctl (fd, KDSETLED, LED[j]);

usleep (100 000);

}

}

}

if (strcmp (argv[1]," 2″)==0)

{

for (i=0;i<25;i++)

{

ioctl (fd, KDSETLED, 0);

ioctl (fd, KDSETLED, LED[rand ()%3]);

usleep (100 000);

}

}

close (fd);

return 0;}

2. Программа 2cd. c

#include

#include

#include

#include

#include

#include

int main (int argc, char* argv[])

{

int fd;

int i =0;

int frequency[]={300,0,300,0,300,0,250,0,350,300,0,250,0,350,300,0};

int duration[]={500,50,500,50,500,50,500,50,250,500,50,500,50,250,500,50};

fd = open («/dev/sr0», O_RDWR|O_NONBLOCK);

if (fd<0) {

perror («open (/dev/cdrom)»);

return 1; }

for (i=0;i<16;i++)

{if ((i==0)||(i==8)) {ioctl (fd, CDROMEJECT, 0);}

if ((i==5)||(i==13)) {ioctl (fd, CDROMCLOSETRAY, 0);}

if (frequency[i]≠0) {frequency[i]=1 193 180/frequency[i]; }

ioctl (fd, KIOCSOUND, frequency[i]);

usleep (1000*duration[i]);

}

close (fd);

return 0;}

3. Программа 3musicbox. c

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

int main (int argc, char* argv[]){

int fd;

int i = 0;

int j = 0;

fd = open («/dev/tty0», O_WRONLY);

if (fd<0)

{perror («open (/dev/tty0)»);return 1;}

if (argc ≠ 2)

{printf («%sn» ," Error. Rewrite parametrs!");

return 2; }

if (strcmp (argv[1]," 1″)==0)

{for (j=0;j<5;j++)

{int frequency = 0×0384;

int deltafreq = 0×000A;

for (i=0;i<200;i++)

{frequency=frequency+deltafreq;

ioctl (fd, KIOCSOUND, frequency);

usleep (10 000);}

for (i=0;i<200;i++)

{

frequency=frequency-deltafreq;

ioctl (fd, KIOCSOUND, frequency);

usleep (10 000);

}

}

}

if (strcmp (argv[1]," 2″)==0)

{

int frequency;

int duration[] = {300, 900, 300, 900, 100, 400, 100, 1000};

for (i=0;i<5;i++)

{

for (j=0;j<8;j++)

{

frequency = 0×0064;

if (j%2==0) {frequency=0;}

ioctl (fd, KIOCSOUND, frequency);

usleep (1000*duration[j]);

}

}

}

if (strcmp (argv[1]," 3″)==0)

{

int frequency[] = {247, 417, 417, 370, 417, 329, 247, 247, 417, 417, 370, 417, 497, 0, 497, 277, 277, 440, 440, 417, 370, 329, 247, 417, 417, 370, 417};

for (i=0;i<27;i++)

{

if (frequency[i]≠0) {frequency[i]=1 193 180/frequency[i]; }

ioctl (fd, KIOCSOUND, frequency[i]);

usleep (500 000);

}

}

ioctl (fd, KIOCSOUND, 0);

close (fd);return 0;}