pke-doc/preliminary.md

## 前言

本书的写作以及配套实验代码（PKE，见[riscv-pke](https://gitee.com/hustos/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：

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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](https://gitee.com/hustos/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](https://www.bilibili.com/video/BV1aL4y1A7RS/?vd_source=a17fc28107fa1bd622ace79a17bd6e54)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。