2.3 8个OS实验概述在线视频

为了能够覆盖到刚才说到那些知识点

我们设计了一共8个实验

可以看到从OS启动开始 OS怎么启动的

为此能够跟外设打交道

从一开始200行代码形成小code

到最后Lab8文件系统 大约一共加起来

整个过程大概形成了大约一万行代码

那么整个这些实验内容基本上覆盖了

我们上操作系统原理重要一些基本概念

整个过程我给大家做个介绍 大家知道这个砖头

怎么一步一步搭成最后一个建筑的

一开始我们看到我们这里有一个硬件层

这个硬件层其实是模拟了整个X86大致的架构

包含各种各样的外设

以及我们最主要的CPU内存

这是我们硬件环境

为了能够让我们超系统能够管理这些硬件

我们首先设计一个Bootloader

能够说它的目标干什么 它的目标就是加载OS

我们用Bootloader加载OS

让OS在我们类型中运行 这是第一步

然后OS要运行之后它首先知道

它所处的环境是什么 它需要去管理CPU

第二管理内存 第三管理外设

比如说时钟 键盘 串口 并口等等

只有把这些都能够有效管理起来之后

才能够控制这个硬件

这是我们说前面几个实验

首先从Lab1我们说Bootloader中断处理

Lab2物理内存管理 Lab3虚拟内存管理

都是跟内存打交道 那么Lab4和Lab5

都是说内核线程和用户进程

那跟谁打交道跟CPU打交道

然后Lab6实际上我们说是一个调度

它也是为了能更有效的利用CPU

Lab7是完成同步互斥 这里面Lab7在这块

有了Lab7同步互斥机制之后 我们就可以实现什么

实现解决一些问题 可以实现进程之间的通讯

就是我们运行程序之间可以有效进行通讯

很多可以用来协调的一些工作都可以用这个

有了同步互斥之后就可以完成了

那么在进程和内存管理之上

我们就可以给我们应用程序提供相应的支持

那我们应用程序可以跑起来

来可以完成它们特定的功能

有了进程管理 内存管理

我们就可以有用户态的各种各样的应用

如果说你这些应用的数据

或者你这个代码需要放在永久存储设备上面

比如说硬盘或者磁盘那需要什么呢

需要我们文件系统来完成相应的

把内存中的数据存到我们这个硬盘上的功能

它可以用很简单方式提供很简单的接口来使用

那么最后也许还有同学说可以做扩展

比如你可以完成网络协议栈等等

这都是形成了我们这个完整OS

可以看出来其实包含了三部分

前面说一部分是硬件

第二部分是运行在内核态的kernel

我们说OS kernel软件

然后有了这个OS kernel之后

我们可以设计各种各样的应用

来使用我们内核提供各种各样的服务

那我们重点实现的部分

在内核态这些各个大的模块

涉及到我们提到的八个实验

就是基本上覆盖了这么多内容

简单我们会把这个八个实验做一个逐一的介绍

从Lab1开始 Lab1讲的是Bootloader

中断还有设备驱动 这三部分内容

那这三部分内容实际上就是说

首先你要理解操作系统怎么启起来的

其实它通过Bootloader启起来的

同时当操作系统启起来之后 它怎么管理硬件

它需要通过中断机制

还有通过设备驱动程序来完成对硬件的管理

比如各种各样的外设的管理

这是说我们在Lab1的时候会去碰到

需要大家掌握和理解的知识

也需要大家通过对这些知识的了解

来进一步去完成对一些操作系统

运行时候机制的掌握 比如说堆栈处理

比如说它怎么去控制一些外设的

当然具体的外设的控制

我们这里面可以不用看那么细

可以看的简单一点

只要知道它大致的过程就行了

不用去了解它那些细节

这个我们可以不用去掌握

主要知道它大致处理过程

特别是它怎么去建立好这个中断机制

这点很重要 有了中断之后

我们就可以完成后续很多很重要功能

这个代码其实可以看到 最开始那个代码

比如我们加载一个OS最简单代码

其实只有很小一些代码量 可能不到一千

几百行代码就可以完成打印一个字符串OS

当然它没什么功能 但是它确实就可以看到

我们 bootloader怎么把OS加载起来了

当OS被bootloader加载到内存中运行之后

那OS很重要一个目标

肯定不是仅仅是打印一个字符串

它需要更好去管理整个计算机系统

那第一步管理是什么呢

管理我们内存 物理内存管理

我们知道一个计算机系统

它有大片的物理内存

这个物理内存哪些可以用 哪些不能用

实际上是由我们操作系统管理起来的

首先我们需要去了解 既然我们说

我们这个针对硬件是X86 32位的CPU

那我们就需要理解X86架构下面

它内存管理的模式 它有分段分页机制

我们知道通过理解内存地址的表示来

完成基于分段和分页的方式

能够实现页表 实现对连续物理空间的管理

这实际上是我们Lab2重点考虑内容

我们可以看到在X86架构下

整个内存一个分布图

很重要的一点就是操作系代码段 数据段

ucore代码段 数据段放在什么地方

以及它管理空闲空间在什么地方

这些地方都会被我们ucore操作系统管理起来

来实现一个对内存动态分配和释放这么一个机制

这是我们Lab2里要掌握的几点

对Lab3而言我们还需要知道

在有限物理空间里面 怎么实现一种更大

超过有限物理空间的一个虚拟内存空间

映射和管理机制 就是虚存管理

这是Lab3的功能 那么在Lab3里面

它需要借助我们前面之前讲到中断机制

就是缺页故障处理

还有借助于我们原理课讲到页面置换算法

这两个结合在一起来实现给我们应用程序

提供一个大的虚拟空间 即使我们物理空间很小

比如说只有1M 但是我们虚拟空间

给它虚拟出来一个4M 8M等等

从而可以使得 我们应用程序

可以更好在我们操作系统管理之下去运行

这是我们Lab3需要去掌握的知识

这里面需要了解什么呢

需要知道换页这个机制

就是我们把这个页换出去

比如说这里边一个程序

它怎么能够从内存换到我们硬盘

以及从硬盘再换回到内存里面去

这个机制怎么实现的

这实际上需要我们软硬件协同在一起来完成

并不是说只是靠操作系统来完成

需要我们的CPU和我们外设

有一定支持才能完成

第二我们需要了解页面调换算法

以及对应页出错的之后异常处理机制

这个实际上是我们操作系统来完成的

当产生这个缺页之后我们应该怎么做

第二个就是选择哪页换出去和换入

这个也是一样 就是我们操作系统来管理

有相应的算法 这一套实际上实现了

我们整个Lab3大致的一个内容

就是关于虚拟内存管理这块

Lab2和Lab3实现了什么

实现了我们对内存的一个管理

无论是虚拟还是物理的

操作系统一个很重要部分

就算基本上告一段落

接下来是对什么管理呢 是对CPU的管理

CPU的管理实际上什么呢

我们需要让不同的程序来分时占用CPU去执行

这实际上是我们线程管理

和进程管理很重要一个思路

为了实现线程管理

我们首先是在内核里面实现一个线程管理

这个实验相对来说比我们后面讲到

在Lab5中的用户态进程管理要简单一些

但是它他基本的一些机制是类似的

我们通过在内核实现线程管理

可以使得我们利用CPU来高效完成各种工作

你要创建它 你必须要干什么呢

需要建立关于线程的内部一些关键数据的描述

你可以看到在这里面它有堆有栈

有它的代码有它的数据

那怎么去表示它

这需要我们在内核线程中有相应一些关键信息

第二个如果CPU只有一个

这个时候每某一个时刻有一个线程运行

下一时刻可能是另一个线程运行了

你怎么完成切换 这也是需要去理解的

你需要有效地管理它 完成切换

这点是我们在内核线程管理上

重点去考虑的问题

当你能够完成这个切换之后

那其实应该说关于大家不同的进程

或者线程来分时占用CPU基本机制

就已经建立好了 那接下来问题是什么呢

我们说我们需要应用程序

也能够完成各自特定功能

而这些应用程序呢

由于它的可靠性不够高 也可能出错

我们希望把应用程序放在用户态

它出错了没关系 不影响内核

不影响我们处于内核态的这个操作系统

为了能够让应用程序运行在用户态

我们需要设计一个所谓用户进程

我们怎么能够让应用程序运用在用户态

为此我们需要创建所谓的用户进程

这里面设计到进程的创建 执行切换

等等一系列动态管理过程

这个过程我们Lab4是很相近

但是又有不同 为什么呢

这里面其实可以体现出来你需要了解

建立一个用户级的进程

它需要的一些关键信息

这些信息运行在这个空间

而不是在内核空间

那么运行在所谓用户空间的话

很明显它不能够破坏我们用户空间

怎么能保证这种机制

我们实际上去分析进程和内存这种关系

才能知道它们有一定区别 这是一个

第二个你还要知道运行在用户空间应用程序

无法直接访问我们操作系统内核里面的函数

它不得不通过另外一种机制

我们称之为系统调用

才能够得到操作系统提供的服务

这点大家也需要通过Lab5中

来实现系统调用才能知道这回事

这也是我们操作系统

在Lab5中需要去完成一些工作

你可以看到系统调用和我们中断相关

我们进程创建和我们内存管理相关

它的调度和我们Lab4的线程切换相关

就是你要切换到另一个线程上去执行

其实你看到Lab5其实建立在

我们前面的Lab1到Lab4基础之上才有Lab5

那么有Lab5之后

我们最终基本就可以完成一个很简单的OS

它有能够支持用户空间进程来运行

它建立一个基本的功能

它有了内存管理 CPU管理

接下来我们看Lab6

那既然说我可以让不同的进程

或者线程来分时占用CPU执行

到底那个时刻需要那个进程占用CPU执行

这点其实是有一个策略在里面的

这实际就涉及到什么呢 进程调度

我们需要去了解操作系统调度过程

基于哪些原则来选择哪一个进程去运行

这点你会涉及到怎么去设计一个调度器的框架

怎么实现不同调度算法 这里面的调度算法

和我们在原理课讲的调度算法也是一一对应的

但是你会发现 原理上讲的一些知识

如果真的在实际机器里面去实现

比如我们在一个ucore里实现

跑在X86这个机器里面的话

你会发现可能还有点偏差

为什么 这也是希望大家通过做实验

能够知道实践和理论之间其实还是有偏差的

并不是完全对应的

这也希望大家做实验的时候

能够深刻的体会到这点

那Lab7是同步互斥 既然我们现在

已经可以在计算机系统里面

在操作系统管理之下可以同时跑多个进程

但是其实这些进程之间它们也是需要去沟通的

并不是完全隔离 相互之间没有任何打交道

它们还是需要去说交换一个信息

相互之间有一个谁先谁后执行

这么一个相互关系 这里面就涉及到

所谓同步互斥一些技术 我们需要知道

我们操作系统要建立哪些机制

来支持进程间的同步互斥

为此我们需要了解比如说

我们后面说到spinlock 就是锁机制

semphpore信号量机制 还有condition variable

就是调节变量机制 它是怎么实现的

那么这些实现应该说

和我们操作系统原理课也是一一对应的

但是比原理课要更加贴近实际

它和我们硬件是紧密相关的

第二个假设有了这些实验之后

我们怎么能够用这些同步机制

来解决所谓同步问题 比如说我们原理课里面

经常讲哲学家问题 哲学家吃饭

在有限的资源情况下

怎么确保更多哲学家能够吃上饭

而不被饿死 这些基本问题

其实当你在我们ucore里面实现这些机制

就可以用完全原理和算法来实现

这也是我们说在Lab7里面

需要大家去体会的一些问题

如果说你实现不对 有可能出现死锁

有可能出现其它异常情况

这就避免了一些问题

通过实验相信对同步有更深入的理解

最后一个实验文件系统

为什么要有文件系统 很明显

有了文件系统之后 我们写的代码

可以永久存在一个地方

我不用每次要敲代码进去

我只要重新放在一个永久存储介质

比如我们硬盘上面的一个代码

加载到内存中去执行就可以了

我们不需要说每次要重新敲代码

所以这个永久存储这个介质有效管理和方便管理

实际上我们说是操作系统

很重要一个功能文件系统来完成的

它可以把我们内存中的数据

按照某种简单的方式

我们从文件系统转换到磁盘上去

本身对磁盘的处理实际上挺复杂的

有了这个文件系统之后

应用程序只需要通过一些简单的原语

比如说打开文件 读文件 写文件 关闭文件

这些基本的简单的原语

就可以完成对数据的存储

甚至包括我们执行代码存储也是一样的

最后你就发现 连我们操作系统本身

也是一个文件形式存在我们硬盘上面的

整个文件系统完成之后

你就可以理解它和我们内存有什么关系

和我们进程有有什么关系

和我们外设有什么关系

在文件系统里面都会有涉及

那我们最后还可以考虑一下

这个文件系统不同组织方式以及抽样方式

怎么样来支持不同的存储介质

不同的设计机制

所以说还有一些什么呢

文件系统抽象层设计等等

这些都是一个相对来说比较实际的

文件系统需要考虑的问题

有了硬件系统之后 我们最后就可以

完成一个用户可以操作的小型的OS了

相对来说功能比较完备了 有内存管理

有进程管理 有同步互斥 有文件系统

有了这些应该说我们可以在这个基础之上

开发一些简单的小的应用程序是没有问题的

就类似于大家写算法 上算法课上数据结构课一样

你开发简单小应用程序

就可以在ucore里面跑起来了

当然也许有些同学说

这个实验还是比较简单 不具有挑战

我们的同学也去做了很多具有挑战性的实验

下面列出了一些例子 大家可以看到

比如说能够把ucore跑在64位CPU上面

我们同学已经完成了 把ucore跑在X86 64位上面

能不能说设计一些不同的页替换算法

并不仅仅简单我们在实验课中提到

页替换算法

还更复杂一些 比如说像Linux一些页替换算法能不能实现

也有同学去做尝试 还有支持其它CPU

不光是X86 CPU 我们可以支持

现在在手机平板用的很广泛armCPU

这个有同学做过尝试

还有支持新的文件系统

我们前面讲到是这种最简单一种实验文件系统

相对来说比较实际一些文件系统

比如说FAT文件系统等等

那么这些文件系统也有同学做过尝试

能够去实现让ucore支持FAT格式的系统

最后甚至还有同学去尝试

让操作系统支持不同的语言

我们都知道像ucore基于C语言来开发的

那么我们能不能在ucore之上跑一些

基于其它语言的一些应用程序

有同学尝试了GO语言

这是谷歌开发的一种新的编程语言

也取得了一定成功

我觉得这是很好的扩展

那也有更多一些扩展 这里面没有一一列出

其实操作系统这个领域

有很多事情值得大家去探索和摸索的

从中可以掌握更多一些功能和知识

最后大家想了解一点是说

你做了这么多实验 你到底有什么样的收获

这个收获其实有好有坏

我们这边把同学一些反馈给大家列出来

可以看到 第一个理论和实践能够很好结合

这样不会在感到OS课本

只是需要一个死记硬背的课

以前如果说不做实验的话

基本上把概念死记下来就行了

至于这个概念到底是怎么实现的 不用去关心

上这门课你们需要了解这个实验

和理论怎么去对应 这是一个很重要点

第二点你在一个全局观 我们说上OS课里面

原理课里面很多讲的是一些

概念相对分散独立的概念

那么你通过做实验

你需要把这些概念揉合在一起形成

一个完整可以工作的OS

这也是通过实验能得到

第三个很多概念和原理做了大量的抽象

对于很多细节

没有再进一步展开讲解

那么通过做实验能够把这些细节知道更清楚

特别是跟硬件结合 这实际上说

在某种程度上可以说是计算机原理课

和操作系统课一个综合

能够知道在OS里面怎么控制一个硬件

同时也有同学提出来

这确实是大学期间碰到最复杂软件设计

那么学到了分析和设计大型系统软件的方法

也许大家将来不会开发OS

但是你这种方法的掌握

便于你后续去做跟计算机软件系统

相关的一些事情打下很好的基础

大家可以看到

其实完成操作系统实验可以有很大的收获

所以说这些实验之确实值得你去做深入的尝试