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向勇 陈渝 李国良 任炬 任炬
2023年春季
让学生通过OS实践来深入地理解OS原理
- 硬件简单
- 软件简洁
- 循序渐进
- 理技结合
- 应用驱动
- 生物进化
让学生通过OS实践来深入地理解OS原理
- 支持应用 -- OS功能扩展全来自于应用的需求
- 硬件简单 -- RISC-V 64 支持OS的最小硬件子集
- 软件简洁 -- 采用Rust语言的抽象能力和高安全设计
- 循序渐进 -- 随着知识点扩展来扩展OS实践
- 理技结合 -- 原理的知识点与OS实践内容对应
- 生物进化 -- 实践逐步形成的多个OS类似生命进化中形成的各种生物
- 理解式学习：编写应用，并通过分析应用与OS的执行过程，掌握OS原理
- 构造式学习：深入OS内部实现，参考/基于这些OS，扩展某些相对完整的OS功能
- 原理与实践结合
- 提供十几个由简单到相对复杂功能进化的OS实例
- 提供OS的详细设计实现文档、多种测试用例、自动测试环境
- 课程上讲的OS原理和概念在实践或实验中基本上有对应
- 分析原理和实践有共同点和差异点
- 通过原理和实践来深化对操作系统全局与细节的理解
设计实现满足应用APP逐步递增需求的逐步进化的OS
1 LibOS: 让APP与HW隔离，简化应用访问硬件的难度和复杂性
2 BatchOS： 让APP与OS隔离，加强系统安全，提高执行效率
3 multiprog&time-sharing OS: 让APP共享CPU资源
4 Address Space OS: 隔离APP访问的内存地址空间，加强APP间的安全
5 Process OS: 支持APP动态创建新进程，增强进程管理和资源管理能力
6 Filesystem OS：支持APP对数据的持久保存
7 IPC OS：支持多个APP进程间数据交互与事件通知
8 Tread&Coroutine OS：支持线程和协程APP，简化切换与数据共享
9 SyncMutex OS：在多线程APP中支持对共享资源的同步互斥访问
10 Device OS：提高APP的I/O效率和人机交互能力，支持基于外设中断的串口/块设备/键盘/鼠标/显示设备
30个系统调用
const SYSCALL_DUP: usize = 24;
const SYSCALL_OPEN: usize = 56;
const SYSCALL_CLOSE: usize = 57;
const SYSCALL_PIPE: usize = 59;
const SYSCALL_READ: usize = 63;
const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
const SYSCALL_SLEEP: usize = 101;
const SYSCALL_YIELD: usize = 124;30个系统调用
const SYSCALL_KILL: usize = 129;
const SYSCALL_SIGACTION: usize = 134;
const SYSCALL_SIGPROCMASK: usize = 135;
const SYSCALL_SIGRETURN: usize = 139;
const SYSCALL_GET_TIME: usize = 169;
const SYSCALL_GETPID: usize = 172;
const SYSCALL_FORK: usize = 220;
const SYSCALL_EXEC: usize = 221;
const SYSCALL_WAITPID: usize = 260;30个系统调用
const SYSCALL_KILL: usize = 129;
const SYSCALL_SIGACTION: usize = 134;
const SYSCALL_SIGPROCMASK: usize = 135;
const SYSCALL_SIGRETURN: usize = 139;
const SYSCALL_GET_TIME: usize = 169;
const SYSCALL_GETPID: usize = 172;
const SYSCALL_FORK: usize = 220;
const SYSCALL_EXEC: usize = 221;
const SYSCALL_WAITPID: usize = 260;
const SYSCALL_THREAD_CREATE: usize = 1000;
const SYSCALL_GETTID: usize = 1001;
const SYSCALL_WAITTID: usize = 1002;设计实现满足应用APP逐步递增需求的逐步进化的OS
const SYSCALL_MUTEX_CREATE: usize = 1010;
const SYSCALL_MUTEX_LOCK: usize = 1011;
const SYSCALL_MUTEX_UNLOCK: usize = 1012;
const SYSCALL_SEMAPHORE_CREATE: usize = 1020;
const SYSCALL_SEMAPHORE_UP: usize = 1021;
const SYSCALL_SEMAPHORE_DOWN: usize = 1022;
const SYSCALL_CONDVAR_CREATE: usize = 1030;
const SYSCALL_CONDVAR_SIGNAL: usize = 1031;
const SYSCALL_CONDVAR_WAIT: usize = 1032;- 课程内容
- 48学时，16次课
- 实践内容
- 20~30学时，5次实验
知识点
- 操作系统定义
- 操作系统抽象
- 操作系统特征
- 操作系统历史
- 操作系统的架构
- 硬件与操作系统的关系与接口
- 应用与操作系统的关系与接口
知识点
- 函数调用、栈帧与参数
- 编译器/硬件与OS的共识
- 加电后硬件/软件启动过程
- 程序执行过程、Linux应用编程
- RISC-V的SBI
- 开发环境与执行环境、裸机编程
- LibOS的设计与执行
知识点
- 特权级与特权级切换
- 系统调用、外设中断、软件异常
- 系统调用设计与实现、执行过程
- 批处理操作系统的设计与执行
知识点
- 上下文、中断、任务、任务/中断上下文、任务/中断上下文切换、任务/中断上下文切换的时机
- 任务生命周期、任务执行过程
- 协作式调度、抢占式调度
- 多道程序操作系统与分时多任务操作系统的设计与执行
知识点
- 地址空间、内存管理、连续物理内存分配、非连续物理内存分配
- 物理内存的管理
- 多级页表的设计与实现
- 访存异常及其软硬件协同处理过程
- 基于地址空间的分时多任务操作系统的设计与执行
知识点
- 局部性原理、虚拟存储基本概念、Page Fault异常、局部页面置换算法、全局页面置换算法、Belady异常
- 按需分页、Copy On Write、基于页的内存换入换出机制
- 支持虚存的分时多任务操作系统的设计与执行
知识点
- 进程概念、进程运行状态、进程的管理、基本调度策略/算法
- 实时任务、实时调度算法、优先级反置问题与解决方法
- 进程控制块和fork, exec, waitpid, exit系统调用的设计与执行
- 支持进程的操作系统的设计与执行
知识点
- 多核/SMP/NUMA架构的特征
- 多处理器调度算法
- 负载迁移技术
知识点
- 文件系统基本概念：文件/目录/文件描述符/目录项, 软/硬链接
- 文件/文件系统设计与实现
- open/close/read/write系统调用的设计与执行
- 链式/索引文件结构设计、空闲磁盘块空间管理、缓冲区管理
- 支持文件的操作系统的设计与执行
知识点
- 无名/有名管道、消息队列、共享内存、信号的应用编程与设计实现
- 支持管道与信号的操作系统的设计与执行
知识点
- 线程、协程的起因与特征
- 用户态管理的线程设计与实现
- 内核态管理的线程设计与实现
- 支持内核态管理的线程的操作系统的设计与执行
知识点
- 软件实现的互斥、基于中断的互斥、基于原子指令的互斥
- 忙等方式与休眠方式的同步互斥
- 信号量的设计与实现
- 管程与条件变量的设计与实现
- 死锁必要条件、死锁安全、银行家算法、死锁检测算法等
- 支持用户态多线程同步互斥的操作系统的设计与执行
知识点
- I/O设备分类、I/O传输方式、I/O设备抽象
- I/O执行模型
- 串口驱动、块设备驱动
- 内核态响应中断
- 支持外设中断的操作系统的设计与执行
-
"系统调用"
-
例子，用C语言，来自UNIX（例如Linux、macOS、FreeBSD）
fd = open("out", 1); write(fd, "hello\n", 6); pid = fork() -
能理解和编写包含操作系统进程/文件等相关的简单命令行Linux程序
- 软硬件启动，栈的建立、函数调用，SBI调用
- 理解RISC-V的特权模式，理解SBI访问，编写裸机程序
- 特权级: U-Mode, S-Mode
- 特权级切换
- 陷入上下文
- 编译多应用+OS的镜像
- 加载并执行应用
- 任务的概念
- 任务的设计实现
- 协作/抢占式调度
- 任务上下文
- 陷入上下文
- 切换任务
- 切换特权级
- 中断
- 中断响应
- 协作/抢占式调度
- 陷入上下文
- 任务上下文
- 切换任务
- 切换特权级
App/OS内存布局
- .text: 数据段
- .data：可修改的全局数据。
- 未初始化数据段 .bss
- 堆 （heap）向高地址增长
- 栈 （stack）向低地址增长
- 地址空间
- 物理地址
- 页表
- 陷入上下文
- 任务上下文
- 中断响应
- 应用地址空间
- 内核地址空间
- 切换任务
- 切换特权级
- 切换页表
- Process
- Trap
- Task
- Address Space
- state
- relations
- exit code
- fork
- exec
- exit
- wait
- PCB
- 文件系统层次结构
- 块设备驱动
- 块缓冲区
- EasyFS
- Virtual FS
- 进程的文件描述符表
- 文件相关系统调用
- 文件系统在操作系统中的位置
- 进程的文件描述符表
- 文件相关系统调用
支持进程间通信和异步消息机制
- 管道（PIPE）
- 信号（Signal）
对进程控制块的扩展
- 管道也是一种文件
- 支持I/O重定向
- 用户态管理的用户态运行的线程
- 内核态管理的用户态运行的线程
- 协程结构
- 线程结构
- 进程结构
对进程控制块扩展，支持线程同步互斥访问共享变量
- Mutex
- Semphore
- Condvar
对进程控制块扩展，支持线程同步互斥访问共享变量
- Mutex
- Semphore
- Condvar
支持块设备/串口等外设
- 内核态中断响应
- DMA
- 轮询
- 设备<-->内存间数据传输
- 同步互斥保护
- 预先学习完成 实践 1--4
我们的系统已经能够支持多个任务分时轮流运行，我们希望引入一个新的系统调用 sys_task_info 以获取当前任务的信息
- 预先学习完成 实践 1--5
- 引入虚存机制后，原来内核的 sys_get_time 和 sys_task_info 函数实现就无效了。请你重写这个函数，恢复其正常功能。
- mmap 在 Linux 中主要用于在内存中映射文件， 本次实验简化它的功能，仅用于申请内存。请实现 mmap 和 munmap 系统调用
- 预先学习完成 实践 1--6
实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。
- 预先学习完成 实践 1--7
硬链接要求两个不同的目录项指向同一个文件，在我们的文件系统中也就是两个不同名称目录项指向同一个磁盘块。要求实现三个系统调用 sys_linkat、sys_unlinkat、sys_stat 。
- 预先学习完成 实践 1--10
内容
完成对基于信号量/条件变量的同步互斥多线程程序的死锁检测