pke-doc/preliminary.md

前言

本书的写作以及配套实验代码（PKE，见riscv-pke）的设计目标，是给出一套采用代理内核（Proxy Kernel）思想，在RISC-V平台上的一组由给定应用驱动的内核开发（操作系统部分）实验，以及和操作系统相关联的软硬协同设计（系统能力培养部分）实验。通过完成本书所给出的操作系统部分系列实验，读者能够建立《操作系统原理》课程中所学习到的概念对应的工程上的认识。进而，通过完成本书所给出的系统能力培养部分系列实验，读者能够进一步从工程角度，对现代计算机的硬件（系统结构）和软件（操作系统以及应用）所构成的整体系统建立起较为完整的认识。

代理内核（Proxy Kernel）是操作系统内核的一种，但区别于传统的宏内核（Monolithic kernel）和微内核（Microkernel），它的实质是和主机“伴生”的操作系统，其在计算机系统中的地位和逻辑结构如下图所示：

通过上图可以看到，代理内核仅运行在目标机（target）上，支撑目标机上应用（Application）的执行。为了完成一些跟硬件相关的功能（如显示、读取主机上的数据等），代理内核可以通过HTIF（Host-Target InterFace）接口与主机上运行的前端服务器（Front-end server）进行通讯，由后者完成所需的硬件功能。这样，代理内核的设计就可以无需自己去实现显示、访问数据这些与具体设备相关的琐碎的功能。同时，代理内核的设计目标从来都不是一个完整的操作系统，而是只需要支撑所给定的应用的执行就好！这意味着随着应用的不同，代理内核的设计可以简单也可以复杂。

总结起来，代理内核具有以下特点：

• 代码的极简化

  代理内核能够通过HTIF接口与主机通讯来完成简单I/O操作、以及对文件数据的访问，能够（至少在内核初始阶段）实现与设备的无关性。这一点能够有效避免采用传统操作系统内核设计作为《操作系统原理》辅助实验的场景中，学生因为一上来就迷失在设备初始化、复杂文件系统等（这些往往需要另外的指导手册）内容中出不来，最后不得不放弃的情况。

• 系统规模随应用变化

  代理内核的设计，往往只需要满足给定应用的执行，所以它自身的规模与复杂度是跟应用的要求紧密联系的。当应用相对简单时，代理内核的设计只需要很少量的代码就能够完成。例如，为了在第一个实验中支持“Hello world!”应用程序的执行，我们的PKE实验代码（riscv-pke）只需要500行代码；即使做到支持多任务应用这种复杂场景，我们的PKE实验代码也只需要1000行代码！

• 概念和功能上的完整性

  代理内核在实现代码规模的极简化的同时，并未牺牲作为一个操作系统在概念和功能上的完整性。这是因为虽然它的设计将I/O交给了HTIF和与主机进行的通讯，代理内核仍然必须考虑对处理器、内存这些计算机“核心资产”的管理。同时，在系统能力培养实验阶段，代理内核还将管理连接到目标机（target）的定制化的设备的管理。所以，代理内核的设计极大地保留了操作系统的完整性。

从实验的构成来看，PKE共开发了四组实验。其中前三组实验是为《操作系统原理》课程开发的配套实验，这三组实验分别涵盖了中断、内存管理，以及进程调度等操作系统原理的核心内容。PKE的第四组实验面向的是《系统能力培养》课程，该实验将发挥代理内核的实用性特点，在搭载了RISC-V处理器核的FPGA开发板（我们采用的是PYNQ Z1）上，实现所开发操作系统内核的部署以及软硬协同设计，从而实现如视频所示的采用蓝牙进行操控的Arduino小车。本书采用代理内核的思想来构建《操作系统原理》课程的实验内容，并以此为基础，进而构造《系统能力培养》课程的实验内容。

从工程设计的角度来看，课程实验内容的设计具有以下特点：

• 循序渐进、突出阶段性重点

  采用代理内核的概念设计的操作系统实验就能够做到将重点放在处理器、内存这些核心资产的管理上，同时，在其扩展阶段（系统能力培养实验）再将重点转移到I/O设备上，从而形成一个相对完整的计算机系统。

• 基础和挑战并存

  在PKE的每组实验中，我们将设计基础实验和挑战实验两个部分。读者在完成基础试验后，可以选择自己感兴趣的挑战实验进一步加深对所学知识的理解。同时，也可以发挥自己的想象力，“发明”新的挑战实验，以获得更大的满足感（和更高的成绩）。

• 教学性和实用性并存

  本书中代理内核的设计，面向的运行环境为采用精简指令集RISC-V的64位机器（支持RV64G）。通过操作系统和系统能力培养部分实际系统的设计，读者能够在64位（今天广为采用且将来不大可能过时）的基础上，了解RISC-V指令集以及采用该指令集的计算机设计相关的知识。同时，由于代理内核本身有其实际工程意义，读者能够在实验的基础上，自己“发明”更有趣的计算机系统并对其进行验证。

完成操作系统部分的实验，读者需要具备以下知识：C语言（熟练掌握）、汇编语言（了解基础知识）、操作系统原理（了解基础知识）、计算机系统结构（了解基础知识）、Linux的使用（了解）；完成系统能力培养部分的实验，读者还需要具备以下知识：Verilog程序设计语言（了解基础知识）、FPGA开发（了解基础知识）、计算机接口技术（了解基础知识）。

本书的组织结构如下：我们将在第一章介绍RISC-V计算机的体系结构的相关知识；第二章介绍实验环境的安装和使用；第三章到第六章为操作系统实验部分，分别设计了中断、内存管理和进程管理三个操作系统原理基础知识点的相关实验；第七章为系统能力培养部分，实验通过软硬协同的设计，实现一个真实可用的能够响应蓝牙控制信号的Arduino小车。