ucore OS简介

操作系统的基本原理与简单实现

--基于ucore OS + RISC-V

30240243X 操作系统

早期开放开源的UNIX操作系统和MIT教授 Frans Kaashoek 等基于UNIX v6设计的xv6操作系统给了我们启发，但x86相对封闭&复杂和有一定历史包袱的CPU硬件接口给OS学习带来了一定的挑战。1980年前后，UC Berkeley的Dave Patterson主导了Berkeley RISC项目并设计了其第一代的处理器RISC I，并在2014年发展到了开放&开源的第五代指令集架构RISC-V。以简洁的RISC-V CPU为底层硬件基础，设计并实现一个微型但全面的“麻雀”操作系统—ucore。

MIT的Frans Kaashoek等在2006年参考PDP-11上的UNIX Version 6写了一个可在X86上跑的操作系统xv6（基于MIT License），用于学生学习操作系统。我们可以站在他们的肩膀上，基于xv6的设计，尝试着一步一步完成一个从“空空如也”到“五脏俱全”的“麻雀”操作系统—ucore，此“麻雀”包含虚存管理、进程管理、处理器调度、同步互斥、进程间通信、文件系统等主要内核功能，总的内核代码量（C+asm）不会超过5K行。充分体现了“小而全”的指导思想。

ucore的运行环境可以是真实的X86计算机，不过考虑到调试和开发的方便，我们可采用X86硬件模拟器，比如QEMU、BOCHS、VirtualBox、VMware Player等。ucore的开发环境主要是GCC中的gcc、gas、ld和MAKE等工具，也可采用集成了这些工具的IDE开发环境Eclipse-CDT等。在分析源代码上，可以采用Scitools提供的understand软件（跨平台），windows环境上的source insight软件，或者基于emacs+ctags，vim+ctags等，都可以比较方便在在一堆文件中查找变量、函数定义、调用/访问关系等。软件开发的版本管理可以采用GIT、SVN等。比较文件和目录的不同可发现不同实验中的差异性和进行文件合并操作，可使用meld、kdiff3、UltraCompare等软件。调试（deubg）实验有助于发现设计中的错误，可采用gdb（配合qemu）等调试工具软件。并可整个实验的运行环境和开发环境既可以在Linux或Windows中使用。推荐使用Linux环境。

根据一个操作系统的设计实现过程，可以有如下的实验步骤：

1. 启动操作系统的bootloader，用于了解操作系统启动前的状态和要做的准备工作，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”，“陷阱中断”等；
2. 物理内存管理子系统，用于理解x86分段/分页模式，了解操作系统如何管理物理内存；
3. 虚拟内存管理子系统，通过页表机制和换入换出（swap）机制，以及中断-“故障中断”、缺页故障处理等，实现基于页的内存替换算法；
4. 内核线程子系统，用于了解如何创建相对与用户进程更加简单的内核态线程，如果对内核线程进行动态管理等；
5. 用户进程管理子系统，用于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；
6. 处理器调度子系统，用于理解操作系统的调度过程和调度算法；
7. 同步互斥与进程间通信子系统，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；
8. 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。

其中每个开发步骤都是建立在上一个步骤之上的，就像搭积木，从一个一个小木块，最终搭出来一个小房子。在搭房子的过程中，完成从理解操作系统原理到实践操作系统设计与实现的探索过程。这个房子最终的建筑架构和建设进度如下图所示：

图1 ucore系统结构图

版权信息

ucore OS是用于清华大学计算机系本科操作系统课程的OS教学试验内容。 ucore OS起源于MIT CSAIL PDOS课题组开发的xv6&jos、哈佛大学开发的 OS161教学操作系统、以及Linux-2.4内核。

ucore OS中包含的xv6&jos代码版权属于Frans Kaashoek, Robert Morris, and Russ Cox，使用MIT License。ucore OS中包含的OS/161代码版权属于 David A. Holland。其他代码版权属于陈渝、王乃峥、向勇，并采用GPL License. ucore OS相关的文档版权属于陈渝、向勇，并采用 Creative Commons Attribution/Share-Alike (CC-BY-SA) License.