Introducción al desarrollo de prácticas de CAD en el entorno Unix/Linux

OBJETIVOS.

El objetivo de este documento es introducir al alumno en el manejo de los equipos que se utilizarán en las prácticas de CAD, acercándolo al uso del sistema operativo UNIX/LINUX bajo el entorno X-Windows, así como a la programación en C bajo este entorno utilizando las funciones de OpenGL, y la utilización de un depurador de código.
 

FUNDAMENTOS

Para la realización de esta práctica será necesario conocer algunos conceptos básicos sobre el entorno X-Windows, las órdenes principales de UNIX/LINUX y la funcionalidad que ofrecen el compilador y el depurador que utilizaremos.
 

El entorno

Para comenzar las sesiones nos conectaremos al sistema a través de los ordenadores de las aulas de los laboratorios. Para ello al conectar la máquina aparecerá en pantalla una ventana para identificarnos en el sistema, pidiéndonos nuestro USERNAME y PASSWORD.

Una vez introducidos correctamente, aparecerá una ventana con las distintas posibilidades de arranque, de las que elegiremos Linux. Después, seleccionamos Linux RedHat 7.0 (aunque las prácticas funcionarán en cualquier versión). Tras el proceso de arranque de Linux, tendremos que volver a identificarnos en el sistema. En ese momento estamos en disposición de lanzar el entorno X-Windows mediante la orden:

El sistema de ventanas X está controlado por ratón y teclado, y la pantalla también contendrá un cursor de ratón en algún lugar. Se puede desplazar el ratón para cambiar la posición del cursor, que puede cambiar de aspecto al pasar por áreas diferentes de la pantalla.

Dependiendo del entorno con el que trabajemos, la apariencia puede variar de un sistema a otro. Sin embargo, la forma de trabajar es similar en cualquier caso. Si por defecto no nos aparece ninguna ventana en la que podamos introducir órdenes (lo que se conoce como -terminal x- ) debemos abrir uno para poder trabajar. En nuestro caso, podemos hacerlo de dos formas:

• seleccionando la opción Utilidades/Terminal del menú principal que obtenemos al pulsar en la barra inferior el icono más a la izquierda (con una K sobre una rueda dentada).
• Pulsando sobre el icono con una pantalla y una concha de la barra inferior.

Moviendo el ratón y pulsando el botón izquierdo, puede "activar" o seleccionar una determinada ventana y las pulsaciones de teclas que efectúe serán enviadas a ella. Cuando una ventana está activa, su borde superior estará realzado en un color que contraste con los de las otras ventanas. Puede, entonces, ejecutar órdenes normales del sistema dentro de la ventana activa.

Se pueden crear, mover o eliminar ventanas según se necesite. El sistema de ventanas X contiene un salvapantallas automático que borra la pantalla cuando transcurre cierto tiempo sin actividad de teclado o de ratón. Se activará de nuevo la pantalla moviendo el ratón o pulsando alguna tecla.

Las múltiples ventanas de la pantalla pueden solaparse y se pueden cambiar su tamaño y posición para acomodarse a las necesidades del usuario. También se puede iconizar una ventana, lo que la empequeñece y la quita de en medio sin suprimirla. La ventana se iconiza moviendo el puntero del ratón a la pequeña caja de la esquina superior izquierda del borde de la ventana y presionando luego el botón izquierdo del ratón.

Podemos invocar al menú de ventanas pulsando el botón derecho del ratón en cualquier lugar del borde de la ventana. Aparecerá un menú que nos permitirá cerrar la ventana, hacer que la ventana ocupe la pantalla completa, moverla , cambiar su tamaño, iconizar, o mandar a otro escritorio (por defecto tenemos 4 que podemos seleccionar desde la barra inferior).

Para mover una ventana sobre la pantalla se coloca el puntero sobre el borde de la ventana, se presiona el botón izquierdo del ratón y se mantiene pulsado, mientras se mueve el ratón se moverá una representación de la ventana al rededor de la pantalla. Una vez que esté situada en la posición deseada, se libera el ratón y la ventana pasará a ocupar dicha posición.

La pulsación del botón izquierdo del ratón en el borde de la ventana también hace que la ventana pase a un primer plano, en caso de solapamiento de ventanas, exponiendo la ventana completa para su uso.

Para cambiar el tamaño de una ventana se utilizan unas pequeñas áreas que existen en las esquinas del borde de la ventana. Si se posiciona el puntero en una de estas esquinas y se presiona y mantiene presionado el botón izquierdo del ratón, se puede ampliar o estrechar la ventana antes de liberar el botón. La esquina opuesta permanece fija, de modo que no se puede cambiar el tamaño y mover la ventana en la misma operación.

Algunas ventanas pueden tener barras de deslizamiento horizontal o vertical. Esto permite mover el contenido de la ventana dentro sus bordes. Existen unas flechas que son sobre las que se pulsa para moverse dentro de la ventana línea a línea. Y si pulsamos en los extremos el movimiento será más rápido.

Cuando se termina de utilizar el sistema, debería informarle que ha finalizado. A este proceso se le denomina despedida o desconexión. Cuando se despide, el sistema Unix libera el terminal para que pueda utilizarlo alguien más y evita que otra persona sin privilegios pueda utilizarlo (como medida de seguridad). Para ello, debemos primero salir de X-Windows pulsando la opción Terminar en el menú contextual que aparece al pulsar con el botón derecho del ratón en el fondo de la pantalla (o desde el menú principal de la barra inferior), y después, cuando nos encontremos en modo texto, salirnos de nuestra sesión de trabajo con la orden exit.
 
 

El Sistema Operativo LINUX

UNIX/LINUX es un sistema operativo multitarea y multiusuario, es decir, pueden existir varios procesos ejecutándose simultáneamente y pueden estar conectados varios usuarios a la vez.

Cada uno de estos usuarios tiene asociado una parte del disco del servidor como propia, en la que, en principio, solo tiene acceso su propietario. El espacio de que dispone cada usuario no es muy grande por lo que es aconsejable tener cuidado con el uso que hacemos de él, ya que si superamos el espacio asignado algunas aplicaciones no funcionarán correctamente.

Una vez que nos conectamos al sistema podemos interactuar con él introduciendo cualquier orden UNIX/LINUX en algunas de las ventanas de órdenes. Estas serán aquellas ventanas en las que aparezca el prompt del sistema que en este caso es el carácter $, indicando que espera que introduzcamos algún mandato.

El Shell es el programa que atiende a las órdenes introducidas desde el terminal y traduce dichas órdenes a instrucciones en la sintaxis interna del sistema. El Shell tiene dos funciones distintas: actúa como un intérprete de órdenes y además es un lenguaje de programación, es decir, se pueden agrupar un conjunto de comandos básicos para realizar una tarea mayor.

Generalmente, las órdenes son programas ejecutables independientes que el Shell encuentra y ejecuta en respuesta a instrucciones tecleadas. Los elementos constitutivos de una orden son:

- el nombre de la orden.

- las opciones: modifican la orden.

- los argumentos: sobre los que va a actuar la orden en cuestión.

Cuando se reúnen en una línea todos estos elementos (o parte de ellos), ésta recibe el nombre de línea de orden, en la que es necesario que se sigan unas determinadas reglas. Algunas de ellas son:
 

• Cada elemento de la línea debe estar separado de los demás al menos por un espacio. No se deben poner espacios entre los caracteres que forman un determinado elemento.
• El orden de una línea de órdenes es: nombre, opciones, argumentos. A veces no son necesarias las opciones y/o los argumentos. Existen algunas órdenes que pueden alterar este orden pero son excepciones.
• Las opciones van precedidas de un guión '-'. No se permite un espacio en blanco entre el guión y la opción. Se puede usar más de una opción a la vez, y generalmente, no importa mucho el orden entre ellas, pero han de ir separadas unas de otras por espacios, o bien, agrupadas tras el mismo guión (dependerá de la orden en particular) siempre que no requieran más datos (como un nombre de fichero, por ejemplo).
• Algunas órdenes aceptan, o pueden aceptar, más de un argumento. Deben de estar separados unos de otros por espacios.
• Se pueden combinar varias órdenes en una línea separándolos por punto y coma ';'.
• Una línea de orden se puede extender más de una línea de pantalla introduciendo una "barra-atrás" (\) antes de pulsar la tecla RETURN. El Shell cambiará el símbolo $ por un símbolo > para indicarle que la orden no ha terminado.

Generalmente, cuando se introduce una línea de orden incorrecta, la orden responde con un mensaje recordando la forma correcta.

El Shell proporciona herramientas que hacen fácil especificar múltiples nombres de ficheros como argumentos. Existen tres caracteres especiales, llamados comodines, que pueden sustituir a nombres de ficheros o a partes de ellos. Estos son:

• El carácter asterisco '*': sustituye cualquier secuencia de cero o más caracteres, también puede ir incluido dentro de un nombre de fichero parcial. Por ejemplo:

• La interrogación '?': sustituye un carácter simple en un nombre de fichero y en un lugar determinado. Por ejemplo:

• Los corchetes izquierdo y derecho '[]': especifica una lista de caracteres que puede corresponder con un carácter en el nombre del fichero. Funciona como ? pero limita la comparación a un conjunto de caracteres. Entre los corchetes se incluye una lista de los caracteres que pueden coincidir en ese lugar en el nombre del fichero. Por ejemplo: $ ls LE[AE]ME (listaría los ficheros LEEME o LEAME si existieran).

Las órdenes más útiles que usaremos se resumen a continuación

La orden clear

Es una sencilla herramienta que borra la pantalla y visualiza el prompt $ en la línea superior.
 
 

La orden who

Cuando se introduce esta orden, el sistema responde con la lista de usuarios que están conectados en ese momento. En esta lista se ofrece información de cada usuario, como: su identificador de presentación, el terminal que está utilizando y la fecha y hora en que se conectó. Si se usa la orden de la forma "who am i" la respuesta es la correspondiente a su propio terminal.

La orden passwd

Se utiliza para asignarnos una contraseña (password) al carecer de ella, o para cambiarla (el cambio periódico de contraseña es una buena medida de seguridad).

Al elegir una contraseña debe tener presente que ésta debe contener, generalmente, al menos un carácter no numérico, y tener como mínimo seis caracteres. Intente no olvidarla, ya que las contraseñas están cifradas y si no la recuerda, lo único que el administrador del sistema puede hacer es suprimir la contraseña actual y asignarle una nueva.

La orden ls

La orden ls proporciona varias opciones que controlan la visualización de la salida y que ficheros o directorios se seleccionan para visualizar. Algunas de ellas son:

ls /udir/textos/pepe
 
 

Este argumento es lo que se denomina nombre de camino. Hay dos formas de especificar los nombres de camino (path):

Para conocer nuestro directorio actual, utilizamos la orden pwd. Una vez ejecutada, muestra el nombre de camino del directorio actual.

Existen dos directorios especiales que nos pueden ser útiles y que están presentes como subdirectorios de todos los directorios creados:

• el directorio ".": representa al directorio actual.
• el directorio "..": representa al directorio padre (del cual es subdirectorio).

Se utiliza para borrar ficheros. Una vez que se ha borrado un fichero con esta orden es imposible recuperarlo. Necesita como argumento un nombre de fichero o una lista de nombres de ficheros (o caminos). Se puede interrumpir su ejecución presionando la tecla DEL o BREAK (esta operación de ruptura se puede utilizar para casi cualquier orden). Se dispone de las siguientes opciones:

Se utiliza para crear una copia exacta de un fichero, necesita dos argumentos. El primer argumento es el nombre del fichero que se desea copiar, el segundo es el nuevo fichero a crear o un nombre de camino. Por ejemplo:

Esta orden también aceptará una lista de nombres de ficheros como fuente y copiará todos estos ficheros al destino. Para ello debe darse un directorio existente (cp no lo crea) y no un nombre de fichero como destino, o se producirá un error. Para copiar el contenido de un directorio a uno nuevo, se debe designar cada uno de los ficheros que se desea copiar, explícitamente o utilizando un operador comodín. Por ejemplo:
 

$ cp dir1/* dir2

Con esta orden podemos utilizar las siguientes opciones:

Además, more puede tener como argumentos una lista de ficheros. Por ejemplo:

$ more /etc/profile nota
 

Protección

Cada fichero y directorio tiene muchos atributos además de su nombre. Algunos de estos atributos pueden verse utilizando ls -l (comentada anteriormente). Ya que el Unix soporta múltiples usuarios, los ficheros pueden ser creados por usuarios individuales, quienes son "dueños" de los ficheros. Cada usuario pertenece además a un grupo (por ejemplo, un departamento) y puede compartir ficheros con los usuarios de su grupo.

Unix proporciona una forma de proteger los ficheros de cada usuario, ya que le asigna a cada fichero o directorio unos permisos o modos del fichero. Los permisos se representan por nueve bits, llamados bits de derechos, de forma que los tres primeros indican los permisos para el propietario, los tres siguientes indican los permisos para el grupo al que pertenece el fichero y los tres últimos indican los permisos para los restantes usuarios del sistema. Cada grupo de tres bits tiene la siguiente forma y significado:
 

• el primero indica el acceso de lectura: si es r indica que el sujeto puede leer el fichero o, si es un directorio, el sujeto tiene permitido examinar su contenido. Si por el contrario en dicha posición existe un guión -, no tendrá estos derechos.
• el segundo es el acceso de escritura: si es w, el sujeto puede escribir en el fichero, o si es un directorio, podrá crear un fichero en el directorio. Si es un -, el acceso de escritura está denegado.
• el tercero corresponde al acceso de ejecución: si es x, el sujeto puede ejecutar el fichero, o si es un directorio, podrá atravesar dicho directorio en su búsqueda de subdirectorios. Si es un -, no.

Cuando se crea un fichero o directorio, el sistema le asigna unos permisos por defecto, sin embargo, Unix proporciona varias órdenes para manipular la propiedad y los permisos de éstos.

Se puede ceder la propiedad de un fichero con la orden chown (change owner), suponiendo que el fichero fuese suyo. Esta orden acepta un nombre de fichero o una lista de nombres de fichero como argumento, junto con el identificador del usuario (el último argumento) al que se desea ceder el fichero o ficheros. También se puede utilizar la orden chgrp para cambiar el grupo al que pertenece un fichero, suponiendo que el que lo hace es el propietario del fichero.

Para cambiar los permisos de un fichero de su propiedad se utiliza la orden chmod (change mode). Los tres grupos de permisos son conocidos como u (usuario), g (grupo) y o (otros). Una forma de utilizar esta orden es:

chmod [+,-] [r,w,x] fichero

Por ejemplo, supongamos que el fichero notas tiene el siguiente modo: rw-rw-rw-, si ejecutamos la siguiente orden:

$ chmod -w notas

el resultado será que se suprimen los permisos de escritura de notas, que tendrá ahora el siguiente modo: r--r--r--. Si ahora realizamos la misma operación pero con el argumento +w:

$ chmod +w notas

los volverá a restaurar. Por lo tanto, utilizaremos + para establecer permisos y - para suprimirlos. Se pueden cambiar más de uno de los tres permisos en la misma orden:

$ chmod -w+x notas

También se pueden efectuar cambios para cualquier clase individualmente, añadiendo una letra delante del - o del +. Por ejemplo:

$ chmod g-w notas

suprime el acceso de escritura al grupo.
 
 

Luego, la sintaxis de chmod es clase de usuario (u,g,o), seguido de la acción a tomar (+,-), a continuación el permiso a modificar (r,w,x) y por último, el fichero o directorio o una lista de ellos.
 
 

El compilador

Para ejecutar el compilador deberíamos introducir la orden gcc con todos los argumentos necesarios para indicarle que biblioteca de funciones utilizar, que ficheros compilar y como enlazarlos para crear un ejecutable. Pero el sistema UNIX nos ofrece una macro modificable por el usuario para facilitarnos esta tarea: la orden make.

Para modificar la macro crearemos un fichero llamado Makefile el cual, al almacenarlo, hará que esa macro se adapte a nuestras necesidades. Dentro de este fichero podemos utilizar diversas instrucciones (que incluso forman un propio lenguaje) que se transformarán en la orden de compilación make necesaria para crear nuestro fichero ejecutable. Veamos algunas de estas instrucciones dentro de un ejemplo:
 
 

##############################################################
# Practicas de CAD. 4 Ingenieria en Informatica.
# Makefile de ejemplo para la construccion de las practicas.
##############################################################

# EJECUTABLE= nombre del fichero ejecutable que queremos crear
#

EJECUTABLE= p1

# MODULOS= lista de nombres con los modulos que se van a
# compilar. Cada uno se corresponde con un fichero C
# Se le pone la extension .o para indicar el fichero objeto
# generado por el compilador.
#

MODULOS= $(EJECUTABLE).o

################ NO MODIFICAR A PARTIR DE AQUI ########################
# CFLAGS= Parametros para el compilador de C
#
# -G (para que genere informacion para el depurador)
# -c (solo compilar cada modulo, no linkar)
# -I (indicamos directiorios donde buscar los include)

CFLAGS= -g -c -DXWINDOWS -I/usr/X11R6/include -I/usr/include
 

# LDFLAGS= Parametros para el linkador. (ld)
# le decimos que busque las librerias
# de X WINDOWS en el directorio indicado

LDFLAGS= -L/usr/X11R6/lib -L/usr/lib

# LIBS= librerias que vamos a linkar para hacer nuestro programa
#
# en este caso necesitamos las siguientes:
#
# X11 manejo de X Windows
# c libreria estandard de C
# malloc para usar la funcion malloc
# m funciones matematicas (sin y cos, p.ej.)

LIBS= -lglut -lGLU -lGL -lX11 -lXext -lXmu -lXi -lc -lm
 

# CC= orden de UNIX que invoca al compilador de C
# (en este caso "gcc" llama al compilador de C/C++ de GNU)

CC= gcc
 

# Las siguientes lineas le indican al programa make que
# para construir el ejecutable debe compilar primero los
# ficheros objeto que aun no esten compilados y despues linkarlos
# todos juntos.

$(EJECUTABLE): $(MODULOS)
$(CC) -o$(EJECUTABLE) $(LDFLAGS) $(MODULOS) $(LIBS)
 
 
 
 

El depurador

Además del compilador gcc tenemos a nuestra disposición el depurador de código de dominio público gdb. Pero no lo utilizaremos como tal, sino que usaremos xxgdb que utiliza el entorno X-Windows como interface para gdb, facilitando así su uso. (puede ser que en la instalación que tengamos de Linux no se encuentre este depurador, o que además se encuentre otro, llamado ddd).

Esta aplicación ofrece información de realimentación visual y entrada mediante el ratón y el teclado para controlar la ejecución de un programa a través de puntos de ruptura, observar valores de variables y estructuras de datos, movernos por el código y obtener ayuda sobre órdenes del depurador gdb.

La sintaxis que utilizaremos de esta orden es la siguiente:

donde ejecutable es un fichero binario producido por un compilador con la opción -g que produce información sobre la tabla de símbolos para el depurador gdb. Si no se especifica ningún fichero, dentro del propio depurador se podrá indicar el fichero a utilizar.

Si existe el fichero core (fichero que el sistema crea cuando se detiene la ejecución de un programa por algún error) en el directorio actual o especificamos un determinado fichero_core en la línea de órdenes, podemos utilizar mxgdb para examinar el estado del programa cuando se produjo el error.

Al ejecutar el depurador aparece en pantalla una ventana dividida en las siguientes partes:
 

• Podemos también utilizar el depurador DDD. Lo ejecutamos mediante la siguiente línea de órdenes:
 
ddd [ ejecutable ]

• Estas opciones o la forma de acceder a ellas pueden variar de un depurador a otro, pero la funcionalidad es la misma en todos. En el caso del DDD, tenemos un panel de control desde donde podemos acceder a toda la funcionalidad básica del  depurador.