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



2024年春季

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提纲

1. 原理、实践与实验介绍

  1. 循续渐进的操作系统实验
  2. 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

  1. 原理、实践与实验介绍

2. 循续渐进的操作系统实验

  1. 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

  1. 原理、实践与实验介绍
  2. 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）

4周内完成基础实验1~5后，与老师协商：选择完成扩展实验来代替考试。

早完成基础实验，可早开展扩展实验

  • 扩展组件化操作操作系统的crates/modules/framworks
    • 实现新feature（多核、新外设、新处理器、新功能）的支持
    • 参加全国大学生OS比赛

--- #### 教学实验的参考实现 * 参考实现 * [uCore](https://github.com/uCore-RV-64/uCore-RV-64-answer) * [rCore](https://github.com/zflcs/rCore) * [Modular rCore](https://github.com/YdrMaster/rCore-Tutorial-in-single-workspace/) * 实验报告内容建议 * 实验开始时间、完成时间和代码提交次数 * 你在实验中遇到的主要问题和解决方法 * 你的回答与参考实现有什么不同？