操作系统课程-2024春

实践与实验介绍


向勇 陈渝 李国良 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

  • 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
  • 应用驱动 -- OS功能扩展全来自于应用的需求
  • 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
  • 强调实践
    • 提供十几个由简单到相对复杂的渐进式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
  • 原理与实践结合
    • 课程上讲的OS原理和概念在实践或实验中基本上有对应
    • 原理和实践有共同点和差异点
    • 原理和实践相互补充和支持

在线信息

课程实践内容 -- rCore Tutorial Book v3

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

课程参考文档 --教材/课件

课程设计

  • 课程内容
    • 48学时，16次课
  • 实践内容
    • 32学时，5次实验

课程设计

  • 课程内容

实践 1: UNIX/Linux APP

  • "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

实践 2: 裸机程序：LibOS

  • 软硬件启动，函数调用，SBI调用
  • 能编写裸机程序

实践 3: Batch OS

  • 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
  • 能编写批处理操作系统

实践 4-1: MultiProg OS

  • 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

实践 4-2: TimeSharing OS

  • 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

实践 5： AddrSpace OS

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

实践 5： AddrSpace OS

  • 地址空间
  • 物理地址
  • 页表
  • 陷入上下文
  • 任务上下文
  • 中断响应

实践 5： AddrSpace OS

  • 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

实践 6：Process OS

  • Process
    • Trap
    • Task
    • Address Space
    • state
    • relations
    • exit code

实践 6：Process OS

  • fork
  • exec
  • exit
  • wait

实践 6：Process OS

  • PCB

实践 7: Filesystem OS

  • 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

实践 7: Filesystem OS

  • 文件系统在操作系统中的位置

实践 7: Filesystem OS

  • 进程的文件描述符表
  • 文件相关系统调用

实践 8: IPC OS

支持进程间通信和异步消息机制

  • 管道（PIPE）
  • 信号（Signal）

实践 8: IPC OS

对进程控制块的扩展

  • 管道也是一种文件
  • 支持I/O重定向

实践 9: Thread OS

  • 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

实践 9: Thread OS

  • 协程结构
  • 线程结构
  • 进程结构

实践 10: SyncMutex OS

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

实践 10: SyncMutex OS

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

实践 11: Device OS

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

实验 1 ：获取任务信息

  • 预先学习完成 实践 1--4

内容

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

实验 2 ：完成mmap和munmap系统调用功能

  • 预先学习完成 实践 1--5

内容

  • 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

实验 3 ：完成spawn系统调用功能

  • 预先学习完成 实践 1--6

内容

实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。

实验 4 ：实现文件的硬链接功能

  • 预先学习完成 实践 1--7

内容

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 。

实验 5 ：实现文件的硬链接功能

  • 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

谢谢！