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第二讲 实践与实验介绍
第一节 实践与实验简要分析
向勇 陈渝 李国良 任炬
2025年秋季
问题
- 操作系统课的基本原理与实验代码有什么关系？
- 前面的实验完成情况对后面的实验有什么影响？
提纲
1. 原理、实践与实验介绍
- 循续渐进的操作系统实验
- 实验安排
满足应用逐渐增加的需求
- LibOS
- 批处理OS
- 多道程序与分时多任务OS
逐步体现操作系统的概念抽象
- 地址空间抽象的OS
- 进程抽象的OS
- 文件抽象的OS
逐步体现操作系统的关键能力
- 可进程间通信的OS
- 可并发的OS
- 管理I/O设备的OS
提纲
- 原理、实践与实验介绍
2. 循续渐进的操作系统实验
- 实验安排
LibOS
- 远古操作系统雏形
- 现代简单嵌入式操作系统
相关知识点
- 以库的形式提供给应用程序的OS
- 函数调用: 编译器与操作系统的配合
- 硬件启动和软件启动
- 编写/调试裸机程序 裸机程序(Bare Metal Program)：与操作系统无关的OS类型的程序
批处理OS
- 内存只驻留单道程序
- 支持系统调用
相关知识点
- 特权级/特权操作
- RISC-V特权级/特权操作
- 系统调用/异常
- 加载&执行&切换应用程序
- 特权级切换
多道程序OS
- 支持多个程序同时驻留内存
- 支持多个程序依次执行
相关知识点
- 内存空间划分与管理
- 协作式调度
分时多任务OS
- 支持多个程序轮流执行
相关知识点
- 中断处理
- 上下文切换
- 抢占式调度
OS的地址空间抽象
- 支持程序间内存空间隔离
相关知识点
- 地址空间抽象
- 静态内存分配
- 动态内存分配
- 页式存储管理
OS的地址空间抽象
- 超越物理内存的虚拟存储
相关知识点
- 局部性原理
- 缺页异常
- 虚拟页式存储
- 置换算法
OS的进程抽象
- 支持动态创建程序执行
相关知识点
- 进程抽象
- 进程管理
- 调度机制
OS的进程抽象
- 支持多处理器并行
相关知识点
- 多处理器/多核架构
- 多处理器调度
- 实际OS调度
OS的文件抽象
- 处理数据的便捷持久存储
相关知识点
- 文件抽象
- 文件组织结构
- 文件系统设计与实现
可进程间通信的OS
- 进程间可显式/隐式交互信息
相关知识点
- 信号、管道
- 消息队列、共享内存
- I/O重定向
可并发的OS
- 提升CPU的利用率
相关知识点
- 线程：用户/内核线程
- 协程
- 进程、线程和协程的关系
可并发的OS
- 合理共享资源
- 同步与互斥
相关知识点
- 同步互斥的机制
- 同步互斥解决并发问题
- 死锁等问题
管理I/O设备的OS
- 支持各种外设
相关知识点
- 设备抽象
- 设备执行模型
- 同步/异步 I/O
- I/O设备管理
提纲
- 原理、实践与实验介绍
- 循续渐进的操作系统实验
3. 实验安排
实验一：操作系统的基本支持
覆盖内容
- LibOS、 批处理OS、 多道程序与分时多任务OS
知识点：特权级和切换
- 计算机/OS启动
- 特权级切换、系统调用、特权级相关异常、任务切换
- 应用程序/库/内核的关系
实验二：地址空间
覆盖内容
- 地址空间抽象的OS
知识点：页表
- 地址空间
- 应用与内核之间在不同地址空间的数据交互/控制交互
- 内存/地址相关异常（如缺页异常）
实验三：进程管理与调度
覆盖内容
- 进程抽象的OS
知识点：进程控制块PCB
- 进程管理
- 调度算法
实验四：文件系统与进程间通信
覆盖内容
- 文件抽象的OS、可进程间通信的OS
知识点：文件
- 文件系统实现
- 进程间通信机制
实验五：同步互斥
覆盖内容
- 可并发的OS
知识点
- 线程
- 同步互斥的机制、解决同步互斥问题、死锁问题
- 优先级反转问题
扩展实验（即大实验，课程设计）
- 内核组件化
- unikernel: ArceOS
- 宏内核: StarryOS
- hypervisor: AxVisor
- 微内核: ReL4
- 异步操作系统: AsyncOS
- 开源操作系统社区项目
鼓励糖果：资助同学参加2026年8月的全国大学生OS比赛（顺便旅游）
- 前提：4周内完成基础实验1~5。
小结
- 操作系统课的基本原理与实验代码的对应关系
- 基本概念通常对应为实验代码中的数据结构
- 核心算法对应为实现算法的函数
- 前面的实验完成情况对后面的实验的影响
- 实验的顺序对应为内核功能的扩展和增强
- 后面实验中的代码错误有可能是前面代码不完善导致的