ucore 操作系统总设计文档

本项目是一个基于 RISC-V 架构的类 Unix 操作系统 ucore 的完整实现。通过从零开始构建内核，我们深入理解了操作系统的核心机制，包括内存管理、进程调度、同步互斥以及文件系统。

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🏗️ 系统架构总览

ucore 的设计遵循模块化原则，各层级紧密协作，最终构建出一个支持多用户进程、具备文件系统和同步机制的完整系统。

1. 系统启动与基础支撑 (Lab 1)

• 内核初始化: 完成从 Bootloader 到内核的跳转，初始化物理内存布局。
• 中断/异常处理: 建立中断向量表，实现 trap 处理流程。通过 trapframe 结构保存和恢复寄存器状态，支持内核态与用户态的上下文切换。
• 时钟中断: 提供系统节拍，为进程调度和时间管理提供基础。

2. 内存管理系统 (Lab 2 & Lab 3)

• 物理内存管理 (PMM): 实现了基于页（Page）的分配机制。支持 First Fit、Best Fit 等分配算法，并引入了 SLUB 分配器 以高效管理内核小对象。
• 虚拟内存管理 (VMM): 建立了 SV39 多级页表机制。通过 vma (Virtual Memory Area) 管理进程地址空间，实现了按需分页 (Demand Paging) 和页面置换 (Swap) 机制（如 Clock 算法），支持超出物理内存容量的程序运行。

3. 进程与线程管理 (Lab 4 & Lab 5)

• 进程控制块 (PCB): 设计了 proc_struct，记录进程的运行状态、内存映射、父子关系及文件描述符。
• 内核线程: 实现了内核线程的创建 (do_fork) 与切换 (switch_to)。
• 用户进程: 实现了 load_icode 以解析 ELF 文件并加载到用户空间。通过 ecall 触发系统调用，实现了 fork、exec、wait、exit 等核心生命周期管理函数。
• 写时复制 (COW): 在 fork 时共享物理页，仅在写入时触发缺页异常进行拷贝，极大优化了进程创建效率。

4. 调度与同步机制 (Lab 6 & Lab 7)

• 进程调度: 抽象了调度器框架，实现了 Round Robin 和 Stride Scheduling（步进调度）算法。Stride 算法通过“步长”机制实现了精确的优先级控制。
• 同步互斥:
  • 信号量 (Semaphore): 提供了底层的 P/V 操作，用于保护临界区。
  • 管程 (Monitor) 与条件变量: 实现了更高层的同步抽象，解决了生产者-消费者等经典并发问题。

5. 文件系统 (Lab 8)

• 虚拟文件系统 (VFS): 定义了统一的 inode 和 fs 接口，使得上层应用无需关心底层文件系统的具体实现。
• Simple FS (SFS): 实现了一个简单的磁盘文件系统。
  • 磁盘布局: 包含 Superblock（超级块）、Freemap（位图）、Inode（索引节点）和 Data Block（数据块）。
  • 索引机制: 支持直接索引和一级间接索引，能够管理大文件。
• 设备抽象: 将 stdin、stdout 和磁盘设备抽象为文件，统一纳入 VFS 管理。

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👥 团队分工与详细实验内容

Lab 6：调度器框架与调度算法

负责人：郭子涵 (Ex 0, Ch 1)、梁朝阳 (Ex 1, 2)

• 练习 0：填写已有实验 (郭子涵)
  • 集成 Lab 2/3/4/5 代码，更新 PCB 初始化以支持 Stride、优先级、时间片等调度信息，并改进时钟中断处理。
• 练习 1：理解调度器框架 (梁朝阳)
  • 分析 sched_class 函数指针作用、run_queue 双数据结构（链表与斜堆）差异，以及调度器与算法的解耦机制。
• 练习 2：实现 Round Robin 调度算法 (梁朝阳)
  • 在 default_sched.c 中实现 RR_init、RR_enqueue 等函数，掌握时间片耗尽后的重调度逻辑。
• Challenge 1：实现 Stride Scheduling 算法 (郭子涵)
  • 基于斜堆实现 Stride 调度，证明其优先级比例分配的正确性，并设计多级反馈队列方案。

Lab 7：同步互斥机制

负责人：巩岱松 (Ex 0, 2)、郭子涵 (Ex 1)

• 练习 0：填写已有实验 (巩岱松)
  • 集成 Lab 2/3/4/5/6 代码，确保同步机制在多进程环境下的稳定性。
• 练习 1：理解内核级信号量 (郭子涵)
  • 分析信号量设计流程，证明哲学家就餐问题在当前实现下不会死锁，并设计用户态信号量方案。
• 练习 2：完成内核级条件变量与管程 (巩岱松)
  • 基于信号量实现条件变量，利用管程机制解决哲学家就餐问题，探讨不基于信号量实现条件变量的可能性。

Lab 8：文件系统

负责人：巩岱松 (Ex 0, 1)、梁朝阳 (Ex 2)、郭子涵 (Ch 1, 2)

• 练习 0：填写已有实验 (巩岱松)
  • 集成 Lab 2/3/4/5/6/7 代码，为文件系统提供完整的内核支撑。
• 练习 1：完成读文件操作 (巩岱松)
  • 实现 sfs_inode.c 中的 sfs_io_nolock 函数，处理非对齐的磁盘块读取逻辑。
• 练习 2：基于文件系统的执行程序机制 (梁朝阳)
  • 改写 load_icode，支持从 SFS 中加载 ELF 文件，实现 sh、ls 等用户程序的运行。
• Challenge 1：UNIX PIPE 机制设计 (郭子涵)
  • 设计管道数据结构与接口，解决读写同步与互斥问题。
• Challenge 2：UNIX 软硬连接机制设计 (郭子涵)
  • 设计索引节点链接计数与路径解析方案，处理文件删除时的资源回收。

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🛠️ 开发与运行

1. 环境要求

• 操作系统: Linux 或 Windows + WSL2
• 工具链: RISC-V GNU Toolchain (gcc-riscv64-unknown-elf)
• 模拟器: QEMU for RISC-V (virt 机器类型)

2. 编译与运行

# 进入对应实验目录，例如 lab8
cd lab8

# 编译并运行
make qemu

3. 测试

# 运行自动化评分脚本
make grade