OSSU计算机构建：从逻辑门到完整系统的实现
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/computer-science 引言：探索计算机系统的构建之旅
你是否曾好奇计算机是如何从简单的逻辑门演变成能够运行复杂程序的完整系统？通过OSSU（Open Source Society University）的计算机构建课程，你无需付费即可获得系统性的计算机科学教育，逐步揭开计算机系统的神秘面纱。本文将带你深入了解如何通过自我学习，从最基础的逻辑门开始，逐步构建一个完整的计算机系统。
读完本文后，你将能够：
- 理解操作系统的基本概念和核心功能
- 掌握xv6操作系统的构建和调试方法
- 学会实现系统调用和进程调度算法
- 了解虚拟内存管理的基本原理
操作系统学习路径：从理论到实践
OSTEP课程概述
OSSU推荐的操作系统课程《Operating Systems: Three Easy Pieces》（简称OSTEP）是目前最优质的在线操作系统课程之一。该课程提供了两种学习路径：适合大多数学生的"基础路径"和针对系统编程专业学生的"扩展路径"。
基础路径涵盖了操作系统课程的所有核心要求，大约需要80小时的学习时间。你只需阅读免费的在线教材《Operating Systems: Three Easy Pieces》，并完成每章末尾的作业题即可。相关的作业代码和解决方案可以在ostep-homework仓库中找到。
扩展路径则更为深入，需要学习C语言和x86汇编，深入研究内核编程，总耗时超过200小时。这对于那些希望在系统编程领域深耕的学生来说极具价值。
前置知识准备
在开始OSTEP课程之前，你需要具备一些基础知识：
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C语言编程能力：你需要能够阅读和理解C代码，掌握数组、指针和基本的输入输出格式化。推荐参考《Dive into Systems》的第1章和第2章，以及CS50手册页。
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Nand2Tetris课程：该课程介绍了计算机系统的基本概念，为学习真实世界的x86架构打下基础。
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x86架构和汇编语言知识：可以通过观看《Computer Systems: A Programmer's Perspective》课程的相关讲座来学习。
xv6操作系统实践：构建你的第一个操作系统
xv6项目概述
xv6是一个简化的类Unix操作系统，由MIT开发，用于操作系统教学。通过修改和扩展xv6，你将获得宝贵的操作系统开发经验。OSTEP课程提供了多个xv6项目，从简单的系统调用添加到复杂的虚拟内存管理。
项目1B：添加系统调用
在Project 1B: initial-xv6项目中，你将学习如何为xv6添加一个新的系统调用getreadcount()，用于返回之前发生的read系统调用的次数。这个项目虽然简单，但能帮助你理解系统调用的实现机制。
实现步骤概述：
- 修改xv6源代码，添加全局计数器来跟踪
read系统调用的次数。 - 在
sys_read函数中递增计数器。 - 实现
sys_getreadcount系统调用处理函数。 - 更新系统调用表和用户空间函数原型。
关键代码修改包括：
- 在
syscall.c中添加系统调用号和处理函数 - 在
usys.S中添加系统调用入口 - 在
user.h中添加用户空间函数声明
项目2A：实现进程调度
Project 2A: processes-shell项目要求你实现一个简单的shell，并深入了解进程创建和调度的原理。这将帮助你理解操作系统如何管理和调度多个并发进程。
概率调度算法实现
在Scheduling-xv6-lottery项目中，你将实现一个概率调度算法，这是一种有趣的进程调度方式。每个进程分配一定数量的"抽奖券"，调度器随机抽取一张抽奖券，持有该抽奖券的进程将获得CPU时间。
实现步骤概述：
- 在进程结构体中添加抽奖券数量和 ticks 计数器。
- 修改进程创建代码，为新进程分配默认抽奖券。
- 实现
settickets系统调用，允许进程设置自己的抽奖券数量。 - 修改调度器代码，实现抽奖券抽取和进程选择逻辑。
- 实现
ps命令，显示进程状态和抽奖券信息。
概率调度算法的核心思想是：
// 伪代码
while (1) {
count the total tickets allotted to all processes // 计算总票数
get the winning ticket number // 随机抽取 winning ticket
iterate over processes: // 遍历进程找到中奖者
if not runnable:
continue
add its tickets to counter
if counter <= winning ticket number:
continue
run it // 执行该进程
}
例如，如果进程A有5张抽奖券，进程B有7张，进程C有2张：
- 中奖号码在0-4之间时，A运行
- 中奖号码在5-11之间时，B运行
- 中奖号码在12-13之间时，C运行
虚拟内存管理
vm-xv6-intro项目介绍了虚拟内存的基本概念和实现。你将了解操作系统如何通过虚拟内存机制保护内存空间，防止进程访问未授权的内存区域。
该项目提供了一个null程序，演示了内存安全的缺失。通过修改xv6的内存管理代码，你将实现基本的内存保护机制。
实验环境搭建
必要工具安装
为了完成OSTEP课程的项目，你需要安装以下工具：
- gcc: C编译器
- gas, ld: 汇编器和链接器
- gdb: 调试器
- make: 构建工具
- qemu: 模拟器
- python, perl: 脚本语言
在Ubuntu系统上，可以通过以下命令安装这些工具：
sudo apt-get install gcc gdb make qemu-system-x86 python perl gawk expect git
代码仓库克隆
首先，克隆OSTEP的作业和项目仓库：
git clone https://link.gitcode.com/i/99ad4f711b47ab1b86d3df013e6817d2/
git clone https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/computer-science/ostep-projects/
cd ostep-projects
对于每个xv6相关项目，需要克隆xv6源代码：
mkdir src
git clone https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/computer-science/xv6-public src
学习资源与进阶
推荐阅读材料
- OSTEP在线教材: 操作系统概念的核心教材
- xv6注释指南: 详细解析xv6源代码
- Jens Gustedt的《Modern C》: 现代C语言编程指南
视频资源
- OSTEP课程讲座视频: 由教材作者亲自讲解
- xv6代码解析视频系列: 深入讲解xv6内核代码
项目提示与技巧
每个项目都有一些 tricky 的地方，提前了解这些提示可以节省大量时间：
总结与展望
通过OSSU的计算机构建课程，你将从最基础的逻辑门开始，逐步构建到完整的操作系统。这不仅是一次技术之旅，更是一次思维训练，让你深入理解计算机系统的工作原理。
从添加简单的系统调用，到实现复杂的进程调度算法，再到探索虚拟内存管理，每个项目都为你打开一扇通往计算机底层世界的大门。这些知识将为你未来在系统编程、嵌入式开发或内核开发等领域的深入学习奠定坚实基础。
无论你是计算机科学专业的学生，还是希望深入了解计算机内部工作原理的软件工程师，这条学习路径都将为你提供宝贵的知识和实践经验。现在就开始你的计算机构建之旅吧！
延伸学习建议
完成本文介绍的项目后，你可以继续探索以下高级主题：
- 文件系统实现：深入了解文件系统的设计和实现
- 多线程编程：学习并发编程和同步机制
- 网络协议栈：探索网络协议的实现原理
- 操作系统安全性：研究操作系统安全机制和漏洞防护
记住，计算机科学是一门实践性很强的学科，只有通过不断的动手实践，才能真正掌握这些复杂的概念和技术。
如果你觉得本文对你有帮助，请点赞、收藏并关注我们，以获取更多关于OSSU课程和计算机科学学习的优质内容。下期我们将深入探讨文件系统的实现原理，敬请期待！
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
