7月11日学习笔记

操作系统（RISC-V）2020

授课老师：向勇、陈渝

第一讲：操作系统概述

1.1 课程概述

—— 程序设计语言（汇编、C和Rust），不是开发应用程序，而是开发系统程序

C不对应特定体系结构，灵活性

Rust对类型检查比C严格，语言级别上提供了对并发、同步的支持

—— 数据结构

计算机组成原理：Patterson的RISC-V原理

—— 编译原理

1.2 教学安排

参考教材：（1）Operating Systems：Three Easy Pieces 操作系统:三大简易元素；（2）Operating System Concepts 操作系统概念；（3）Operating Systems: Internals and Design Principles 操作系统：精髓与设计原理

（1）操作系统结构；（2）中断及系统调用；（3）内存管理；（4）进程管理；（5）处理机调度；（6）同步互斥；（7）文件系统；（8）I/O子系统

rCore实验：基于RISC-V用rust写教学操作系统 1、独立式可执行程序；2、最小化内核；3、中断；4、内存管理；5、内存虚拟化；6、内核线程；7、线程调度；8、进程；9、文件系统；10、同步互斥

1.3 什么是操作系统

没有公认的精准的定义。

百科全书：操作系统是管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。

操作系统是一个控制程序： 1、一个系统软件 2、控制程序执行过程，防止错误 3、执行用户程序，给程序提供服务 4、方便用户使用计算机系统

操作系统是一个资源管理程序： 1、应用程序与硬件之间的中间层； 2、管理各种软硬件资源； 3、提供访问软硬件资源的高效手段； 4、解决访问冲突，确保公平使用

Shell —— 命令行接口 GUI —— 图形用户接口 Kernel —— 操作系统的内部

软件（应用软件、系统软件（系统应用、操作系统（命令行、内核）））

操作系统内核的抽象与特征

操作系统负责CPU资源的管理，数据结构，抽象成进程 磁盘上的数据，抽象成文件 内存，临时存数据的地方，抽象成地址空间

内核特征： 1、并发：计算机系统中同时存在多个运行程序；进程交替执行 2、共享：程序间“同时”访问互斥共享各种资源 3、虚拟：每个程序“独占”一个完整的计算机 4、异步：服务的完成时间不确定，也可能失败

1.4 为什么要学习和如何学习操作系统

1、操作系统课是多门课程的综合

结合了 1）程序设计语言；2）数据结构；3）计算机组成原理/体系结构；4）编译技术， OS基本理论基础：操作系统概念和原理 OS设计与实现：操作系统源代码&实践技能

OS是计算机科学研究的基石之一

图灵奖：67年，不少科学家获得了图灵奖

产业：.... 大学：....

学术研究协会： SOSP、OSDI、HotOS ACM SIGOPS Hall-of-Fame Awards USENIX USENIX-ATC

并发问题 管理硬件：CPU、内存、磁盘 时间依赖行为、非法行为、硬件故障

操作系统代码必须是高效的、低耗能、安全可靠： 1、OS要及时地给应用提供合理资源； 2、OS出错意味着机器出错； 3、OS必须比用户程序拥有更高的稳定性；

系统思维 需要考虑应用和硬件 权衡资源：eg.时间与空间——性能的可预测性与公平性 软硬协同：如何让中断、异常、上下文切换真正有效？TLB是如何工作的？这对页表又意味着什么？

1.5 操作系统实例

1、Multics OS，以Compatible Time-Sharing System 为基础，多人多任务OS，PL/I 分层文件目录 分时调度 二维虚拟内存

2、UNIX家族，

3、Linux家族，社区的方式

4、MacOS

5、Windows家族

6、Android操作系统

7、Fuchsia操作系统：AIoT操作系统的代表之一

Topaz：Runtime/前端框架和系统UI/系统程序，提供Flutter支持，及其应用程序；

Peridot：系统框架和相关处理Fuchsia的模块化应用程序设计，跨设备保存信息；

Garnet：平台相关基础库和服务，包括硬件的驱动程序（网络、图形等）和软件安装；

Zircon内核：处理硬件访问和软件之间的通信

1.6 操作系统历史

单用户系统（1945-1955），手动连线/纸带传输进行程序输入，机器成本远大于人力成本；操作系统=装载器（loader）+程序库（libraries），问题：昂贵组件的低利用率

批处理系统（1955-1965），磁带/磁盘传输进行程序输入，机器成本大于人力成本；操作系统=装载器（loader）+程序控制器（sequencer）+输出处理器（output processor），问题：相比以前利用率提高

多道程序系统（1955-1980），多个程序驻留内存中，多个程序轮流使用CPU，操作系统=装载器+程序调度+内存管理+输出管理，演变：相比以前利用率提高

分时系统（1970-），多个程序驻留内存中，多个程序分时使用CPU，操作系统=装载器+程序调度+内存管理+中断处理+...，演变：相比以前利用率提高

个人计算机（1981-），单用户，CPU利用率已不再是最重要的关注点，重点是用户界面和多媒体功能，操作系统=装载器+程序调度+内存管理+中断处理+...，演变：走向大众，老的服务和功能不存在，越来越多的安全问题

分布式计算（1990-），分布式多用户，分布式系统利用率是关注点，重点是网络/存储/计算的效率，操作系统=分布式（装载器+程序/OS 调度+内存管理），演变：走向大众，走向网络，新的挑战（不可靠/不确定）

AIoT系统（2000-），分布式多设备，分布式系统利用率/可用性是关注点，重点是网络/存储/计算的效率，操作系统=分布式（程序/OS调度+内存管理+安全/更新），演变：走向设备，走向网络，新的挑战（不可靠/大数据）

1.7 操作系统结构

MS-DOS：在最小的空间，设计用于提供大部分功能（1981-1994），没有拆分位模块，主要用汇编编写，没有安全保护

单体分层结构：将单体操作系统（Monolithic OS）划分为多层（levels），每层建立在低层之上，最底层（layer 0）是硬件驱动，最高层（layer N）是用户界面，每一层仅使用更低一层的功能和服务

微内核结构：只留最小功能，消息传输机制，灵活，安全，性能会比较差

x-kernel：隔离，上层只做资源的分配，安全绑定，OS分成了两部分，资源的使用由应用决定，lite-OS，保护和控制分离

虚拟机结构：

1.8 操作系统实验概述

设计uCore/rCore，覆盖操作系统的关键点：

外设：I/O管理/中断管理

内存：虚存管理/页表/缺页处理/页替换算法

CPU：进程管理/调度器算法

并发：信号量实现和同步互斥应用

存储：文件系统+磁盘驱动

lab1：Bootloader/Interrupt/Debug，启动操作系统的bootloader，了解操作系统启动前的状态和要做的事，了解运行操作系统的硬件支持，操作系统如何加载到内存中，理解两类中断-外设中断、异常等

编译运行直接与硬件交互的系统程序

启动bootloader的过程

实现中断处理机制

输出字符的方法

调试系统程序的方法

lab2：物理内存管理：理解分页模式，了解操作系统如何管理连续空间的物理内存

理解内存地址的转换和保护

实现页表的建立和使用方法

实现物理内存的管理方法

了解常用的减少碎片的方法

lab3：虚拟内存管理：了解页表机制和换出（swap）机制，以及中断-“故障中断”、缺页故障处理等，基于页的内存替换算法

理解换页的软硬件协同机制

实现虚拟内存的Page Fault异常处理

实现页替换算法

lab4：内核模式线程管理：了解如果利用CPU来高效地完成各种工作的设计与实现基础，如何创建相对于用户进程更加简单的内核态线程，如何对内核线程进行动态管理等

建立内核线程的关键信息

实现内核线程的管理方法

lab5：用户模式进程管理：了解用户态进程创建、执行、切换和结束的动态管理过程，了解在用户态通过系统调用得到内核态的内核服务的过程

建立用户进程的关键信息

实现用户进程管理

分析进程和内存管理的关系

实现系统调用的处理过程

lab6：调度：理解操作系统的调度过程和调度算法

熟悉系统调度器框架，以及内置的Round-Robin调度算法

基于调度器框架实现一个调度器算法

lab7：同步互斥，了解进程间如何进行信息交换和共享，并了解同步互斥的具体实现以及对系统性能的影响，研究死锁产生的原因，以及如何避免死锁

熟悉同步互斥的实现机制

理解基本的spinlock、semphpore、condition variable的实现

实现基于各种同步机制的同步问题

lab8：文件系统，了解文件系统的具体实现，与进程管理等的关系，了解缓存对操作系统IO访问的性能改进，了解虚拟文件系统（VFS）、buffer cache和disk driver之间的关系

掌握基本的文件系统系统调用的实现方法

了解一个基于inode方式的SFS文件系统的设计与实现

了解文件系统抽象层-VFS的设计与实现

labX：大实验

重新设计zircon操作系统

在一个OS（如Linux）实现一个Hypervisor

OS直接支持运行被隔离的应用程序

支持动态更新的OS

驱动程序运行在用户态的OS

支持标签化CPU的OS

一个可验证正确性的OS

运行在抽象计算机上可动态调试的OS