HyperOS操作系统 研究课题.pptx

Hyper OS 提前上学 杨天祺 提前上学 李嘉图 选题背景 操作系统教学中的问题： 在操作系统课程中，需要涉及处理器体系结构、编译原理、汇编语言、算法与数据结构等各方面的知识，还需要很强的文档阅读能力。 对不熟悉硬件的同学而言学习曲线较为陡峭。 需要一个合适的教学用操作系统，在简洁的条件下展示操作系统的执行过程 操作系统研究中需求： 在部分操作系统的研究中，需要硬件无关的、足够简单的模拟环境 例如对算法效率的分析等 现状 ucore/rcore 等教学用操作系统： 时常需要阅读 Intel 手册，了解部分硬件的作用和原理 无法清晰的看出操作系统的实际执行流程，增加了学生理解 OS 本质原理的难度 OSTEP 等实现，将各个部分拆分成小的模拟程序 各个部分之间耦合度为 0，无法展示操作系统各个部分之间的协调工作 例如 process 的时间片调度需要用到时钟中断来对时间片进行处理 例如虚拟存储中需要用到缺页中断来处理缺页情况 需求分析 硬件无关：屏蔽掉与硬件相关的内容，展示出 OS 中协调工作的逻辑过程 对硬件不太了解的学生学习时，可以大大降低学习难度 在对操作系统中算法进行研究时，可以忽略大量与算法本身无关的硬件相关问题，减少测试开销。 足够真实：应当体现为一个完整的各个部分协同工作的系统 OSTEP 等实现虽然易用，但是难以将各个部分耦合，无法展示协同工作 逻辑清晰：应该尽量遵循真实操作系统中的流程，展示真实系统中硬件、操作系统、软件是如何协调工作的。 Hyper OS 一个运行在用户态，利用线程之间的通信和协调模拟 OS 调度的模拟操作系统 硬件无关 比较真实的展现操作系统的对各个部分的处理过程 放弃了硬件对 kernel 的限制，以及一些 kernel 的实现技巧 目前解决的主要问题包括： 中断的处理：如何被正确发送给处理器，以及如何正确的返回 内存的支持：如何模拟页机制以及虚拟存储，如何利用物理地址进行寻址 进程的支持：如何定义用户态程序格式，并被加载成为进程，如何从用户进程中抢夺 CPU 的控制权 外部设备的支持：外部设备如何和 OS 协调工作 小组分工 杨天祺： 中断机制 外部设备支持 李嘉图： 内存管理 用户态程序与进程管理 中断机制 – 调研 对支持 SMP 的中断机制进行了调研 在多处理器系统中，中断控制器 APIC 分为 Local APIC 和 I/O APIC 两部分 Local APIC：处理一个核心的中断 I/O APIC：接收一个主板上的中断 外部中断分发到哪个进程在由 I/O APIC 发送至 Local APIC 过程中由用户定义的 interrupt affinity 决定 内部中断分发至发送该中断的 CPU 指令所在的核心 中断处理完成后，CPU 会写入 Local APIC 的 EOI 寄存器通知 Local APIC 中断处理完成，并由 Local APIC 完成后续操作 中断机制 – 实现 中断机制的难点在于如何仅通过用户态的机制实现这些信号的传递，以及如何打断当前正在执行的用户进程 在线程中通过线程安全队列进行事件的触发和通信 线程安全队列中实际采用条件变量 采用 std::promise 阻塞发起中断的线程，并在返回时通知发起中断的线程 由于 Hyper OS 中 LAPIC 等待在事件队列上，无法通过写入 EOI 寄存器实现中断的返回。因此采用对事件队列发送一条信号事件，通知 LAPIC 进行相关的处理操作 中断嵌套采用维护一个中断处理例程栈实现，在收到的是一个内部中断，且目前中断栈上也是内部中断的时候进行嵌套 中断机制 – 打断 中断机制中另一个难题是如何打断当前用户进程的执行，并执行中断服务例程。 1. 采用软中断，利用进程间的信号模拟一个中断，但是这样需要把所有逻辑进程/设备都用进程维护，需要进程间共享信息，非常不方便 2.所有逻辑进程/设备都分别用线程来维护，但这时候就不能用软中断，采用一个单独的线程处理一个CPU的所有中断 实际我们采用解决方案2，需要用户态程序放弃 CPU 使用权 Kernel 应用程序 访存接口 代码 进程 进程条件变量 所执行程序 页表 调度器 进程状态队列 调度算法 虚拟内存 物理内存管理 进程内存布局 缺页处理程序 应用程序接口 应用程序接口设计的难点是如何实现打断应用程序的控制流。 可能的解决方案： 编写指令级和编译器，用汇编码表示程序： 工作量大，复杂性高，失去了 Hyper OS 的抽象性和简洁性 我们的设计是，应用程序使用给定的接口：handle<T> 访问内存 访存语句结束后检查是否有中断，如果有则将自己阻塞在一个条件变量上，主动交出控制权。 应用程序格式 任何程序是一个继承自program的子类，要实现两个虚函数：