marp: true theme: default paginate: true _paginate: false header: '' footer: '' backgroundColor: white style: @import url('https://unpkg.com/tailwindcss@^2/dist/utilities.min.css');

操作系统课程-2024春

实践与实验介绍

向勇 陈渝 李国良 任炬 任炬

2024年春季

目标

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

策略

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

基本思路

- 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

基本思路

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

基本思路

30个系统调用

#![allow(unused)]
fn main() {
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;
}

基本思路

30个系统调用

#![allow(unused)]
fn main() {
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;
}

基本思路

30个系统调用

#![allow(unused)]
fn main() {
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;
}

基本思路

设计实现满足应用APP逐步递增需求的逐步进化的OS

#![allow(unused)]
fn main() {
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;
}

在线信息

课程实践内容 -- rCore Tutorial Book v3

• 课程实践参考书，课程实践代码，课程实践代码的API文档

课程实验内容 -- rCore Tutorial Guide 2024 Spring

• 实验文档 , API文档 , 实验代码，测试用例

课程参考文档 --教材/课件

• 课程在线Slides，Operating Systems: Three Easy Pieces
• 深入了解计算机系统，RISC-V Reader中文版

课程设计

• 课程内容
  • 48学时，16次课
• 实践内容
  • 20~30学时，5次实验

第一讲 操作系统概述

第二讲 实践与实验介绍

第三讲 基于特权级的隔离与批处理