logo
chyyyuuu/tg-rcore-tutorial
Public
0
0
WeChat Login
CodeIssuesPull requestsEventsPackagesInsights
test
tg-rcore-tutorial/ch3/README.md
陈渝💤
prepare for tg-rcore-tutorial
3ebcda14

第三章：多道程序与分时多任务

本章在第二章"批处理系统"的基础上，实现了一个多道程序操作系统（tg-ch3）。它支持多个用户程序同时驻留在内存中并发执行，通过时钟中断实现抢占式调度，通过 yield 系统调用支持协作式调度，并引入了时间管理功能。

通过本章的学习和实践，你将理解：

  • 什么是多道程序系统，它与批处理系统有何区别
  • 任务控制块（TCB）如何管理任务的状态和上下文
  • 协作式调度与抢占式调度的原理和实现
  • 时钟中断的工作机制和时间片轮转算法
  • 新增的系统调用：yield（让出 CPU）和 clock_gettime（获取时间）

前置知识：建议先完成第一章（tg-ch1）和第二章（tg-ch2）的学习，理解裸机启动、Trap 处理、系统调用等基础概念。

项目结构

ch3/
├── .cargo/
│   └── config.toml     # Cargo 配置：交叉编译目标和 QEMU runner
├── .gitignore           # Git 忽略规则
├── build.rs            # 构建脚本：下载编译用户程序，生成链接脚本和 APP_ASM
├── Cargo.toml          # 项目配置与依赖
├── LICENSE             # GPL v3 许可证
├── README.md           # 本文档
├── rust-toolchain.toml # Rust 工具链配置
├── test.sh             # 自动测试脚本
└── src/
    ├── main.rs         # 内核源码：多道程序主循环、Trap 处理、系统调用
    └── task.rs         # 任务控制块（TCB）和调度事件定义

源码阅读导航索引

返回根文档导航总表

本章建议按“任务模型 -> 调度循环 -> 时钟中断/系统调用”顺序阅读。

阅读顺序文件重点问题
1src/task.rsTaskControlBlock 如何封装上下文、栈和任务状态？
2src/main.rs 的主循环轮转调度如何在多任务之间切换？
3时钟中断分支抢占式调度中，时间片到期后发生了什么？
4yield 与 syscall 分支协作式让出与普通 syscall 返回路径有何区别？

配套建议：结合 tg-sbi::set_timer 与 clock_gettime 实现，串起“硬件时钟 -> 内核调度 -> 用户可见时间”的链路。

DoD 验收标准（本章完成判据）

  • 能运行 cargo run 并说明抢占式调度（时钟中断）发生的证据
  • 能运行 cargo run --features coop 并说明协作式调度与抢占式差异
  • 能解释 TaskControlBlock 中“上下文/栈/完成状态”的作用
  • 能从 Trap 分支区分 SupervisorTimer 与 UserEnvCall 两类事件
  • 能完成 ./test.sh base（以及练习时 ./test.sh exercise）

概念-源码-测试三联表

核心概念源码入口自测方式（命令/现象）
任务控制块（TCB）ch3/src/task.rs能说清 init/execute/handle_syscall 的职责
抢占式调度ch3/src/main.rs 的时钟中断分支日志出现 timeout/轮转切换行为
协作式调度ch3/src/main.rs 的 Event::Yield 分支--features coop 下由用户主动让出 CPU
时间系统调用ch3/src/main.rs 的 Clock 实现用户态 clock_gettime 返回时间单调递增

遇到构建/运行异常可先查看根文档的“高频错误速查表”。

一、环境准备

1.1 安装 Rust 工具链

Linux / macOS / WSL：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
source "$HOME/.cargo/env"

验证安装：

rustc --version    # 要求 >= 1.85.0（支持 edition 2024）
cargo --version

1.2 添加 RISC-V 64 编译目标

rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf

1.3 安装 QEMU 模拟器

Ubuntu / Debian：

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-misc

macOS（Homebrew）：

brew install qemu

验证：

qemu-system-riscv64 --version    # 建议 >= 7.0

1.4 安装额外工具

tg-ch3 的构建脚本需要 cargo-clone（用于自动下载用户程序 crate）和 rust-objcopy（用于将 ELF 转为二进制）：

cargo install cargo-clone
# rust-objcopy 由 cargo-binutils 提供
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools

1.5 获取源代码

方式一：只获取本实验

cargo clone tg-ch3
cd tg-ch3

方式二：获取所有实验

git clone https://github.com/rcore-os/tg-rcore-tutorial.git
cd tg-rcore-tutorial/ch3

二、编译与运行

2.1 编译

在 ch3（或 tg-ch3）目录下执行：

cargo build

编译过程与第二章类似，build.rs 会自动完成以下工作：

  1. 生成链接脚本：使用 tg_linker::NOBIOS_SCRIPT 生成内核的内存布局
  2. 下载用户程序：自动通过 cargo clone 获取 tg-user crate（包含用户测试程序）
  3. 编译用户程序：根据 cases.toml 中的 ch3 或 ch3_exercise 配置，为每个用户程序交叉编译
  4. 生成 APP_ASM：生成汇编文件，将所有用户程序的二进制数据内联到内核镜像中

环境变量说明：

  • TG_USER_DIR：指定本地 tg-user 源码路径（跳过自动下载）
  • TG_USER_VERSION：指定 tg-user 版本（默认 0.2.0-preview.1）
  • TG_SKIP_USER_APPS：设置后跳过用户程序编译（生成空的占位 APP_ASM）
  • LOG：设置日志级别（如 LOG=INFO、LOG=TRACE，默认为 info）

2.2 运行

默认模式（抢占式调度）：

cargo run

协作式调度模式：

cargo run --features coop

启用 coop feature 后，禁用时钟中断抢占，任务只能通过 yield 主动让出 CPU。

练习模式：

cargo run --features exercise

加载练习专用的测试用例（包含 sys_trace 相关测试）。

实际执行的 QEMU 命令等价于：

qemu-system-riscv64 \
    -machine virt \
    -nographic \
    -bios none \
    -kernel target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/tg-ch3

2.3 预期输出

[tg-ch3 0.3.0-preview.1] Hello, world!
[ INFO] .data [0x802xxxxx, 0x802xxxxx)
[ WARN] boot_stack top=bottom=0x802xxxxx, lower_bound=0x802xxxxx
[ERROR] .bss [0x802xxxxx, 0x802xxxxx)
[ INFO] load app0 to 0x802xxxxx
[ INFO] load app1 to 0x802xxxxx
[ INFO] load app2 to 0x802xxxxx
...

power_3 [10000/200000]
power_3 [20000/200000]
...
power_3 [200000/200000]
3^200000 = 871008973(MOD 998244353)
Test power_3 OK!
...
AAAAAAAAAA [1/5]
BBBBBBBBBB [1/5]
CCCCCCCCCC [1/5]
...（交替输出，体现时间片轮转）
Test write A OK!
Test write B OK!
Test write C OK!
...
Test sleep OK!

与第二章的串行输出不同，你会观察到多个用户程序的输出交替出现（如 power_3、power_5、write_a、write_b 交错），这就是抢占式调度的效果——时钟中断强制切换任务，实现了时间片轮转。

2.4 运行测试

./test.sh           # 运行全部测试（基础 + 练习）
./test.sh base      # 仅运行基础测试
./test.sh exercise  # 仅运行练习测试

测试脚本会同时在终端显示 cargo run 的完整输出，并通过 tg-checker 自动验证输出是否符合预期。

三、操作系统核心概念

3.1 从批处理到多道程序

第二章的批处理系统串行执行用户程序：一个程序运行完毕后才加载下一个。这种方式的缺点是：当一个程序等待 I/O 或主动暂停时，CPU 处于空闲状态，造成资源浪费。

多道程序系统（Multiprogramming）解决了这个问题：

批处理系统                          多道程序系统
┌──────────────────┐               ┌──────────────────┐
│ App0 ██████████  │               │ App0 ██  ██  ██  │
│ App1     ████████│               │ App1   ██  ██  ██│
│ App2         ████│               │ App2  ██  ██  ██ │
│      ──────→ 时间│               │      ──────→ 时间 │
│  串行执行，CPU   │               │  交替执行，CPU     │
│  利用率低        │               │  利用率高         │
└──────────────────┘               └──────────────────┘

核心改进：

  • 一次性加载：所有用户程序在启动时同时加载到内存，减少切换开销
  • 任务切换：内核可以在多个任务之间快速切换，保证每个任务都能得到执行
  • 调度算法：决定何时切换、切换到哪个任务

3.2 任务控制块（TCB）

任务控制块（Task Control Block, TCB）是内核管理任务的核心数据结构。在 tg-ch3 中，每个 TCB 包含：

字段类型说明
ctxLocalContext用户态上下文（所有通用寄存器 + CSR）
finishbool任务是否已完成
stack[usize; 1024]独立的用户栈（8 KiB）

与第二章相比，本章将用户上下文和栈空间封装到 TCB 中，使得多个任务可以独立管理，互不干扰。

任务状态变化：

          init()
  [未初始化] ──→ [就绪]
                   │
           execute()│
                   ▼
                [运行中]
               ╱   │    ╲
         yield/  exit/   异常/
         超时   退出   被杀死
             ╱     │      ╲
           ▼      ▼      ▼
        [就绪] [已完成] [已完成]

3.3 任务切换机制

任务切换是操作系统的核心机制。tg-ch3 使用 tg-kernel-context 库中的 LocalContext 实现：

  1. 保存当前任务上下文：将所有用户寄存器保存到当前 TCB 的 ctx 中
  2. 恢复目标任务上下文：从目标 TCB 的 ctx 中恢复用户寄存器
  3. 切换执行：通过 sret 指令返回到目标任务的用户态
当前任务（App A）                    下一个任务（App B）
     │                                    ▲
     ▼                                    │
  触发 Trap                           sret 返回
     │                                    ▲
     ▼                                    │
  保存 A 的上下文到 TCB[A]     恢复 B 的上下文从 TCB[B]
     │                                    ▲
     └──────── 内核调度决策 ───────────────┘

与第二章的 Trap 处理相比，本章增加了"不结束当前任务但切换到下一个"的逻辑。

3.4 协作式调度（yield）

协作式调度依赖任务主动让出 CPU。用户程序调用 yield 系统调用，告诉内核"我暂时不需要 CPU 了，可以去执行别的任务"。

典型使用场景：当程序需要等待外设完成 I/O 操作时，与其忙等浪费 CPU 时间，不如 yield 让出 CPU 给其他任务。

App A 发起 I/O 请求                App B 在运行
     │                                 │
     ├─ 调用 yield                     │
     │   （ecall，a7=124）             │
     │                                 │
     ▼                                 ▼
  内核处理：                        继续执行
  标记 A 为"就绪"                       │
  切换到 B                             │
     │                                 │
     ...（一段时间后轮转回 A）...       │
     │                                 │
     ▼                                 │
  A 继续执行                           │
  检查 I/O 是否完成                    │

在 tg-ch3 中，启用 coop feature 可以体验纯协作式调度——时钟中断被禁用，任务只能通过 yield 主动让出 CPU。

3.5 抢占式调度（时钟中断）

协作式调度的问题：如果一个任务永远不调用 yield（例如进入死循环），其他任务就永远得不到执行。

抢占式调度通过时钟中断解决这个问题：

App A 正在执行（可能是死循环）
     │
     │  ← 12500 个时钟周期后
     │     时钟中断触发！
     ▼
  硬件自动陷入 S-mode
     │
     ▼
  scause = Interrupt::SupervisorTimer
     │
     ▼
  内核处理：
  1. 清除时钟中断（set_timer(u64::MAX)）
  2. 切换到下一个任务
     │
     ▼
  App B 开始执行

关键代码逻辑：

// 每次切换到用户程序前，设置时钟中断
tg_sbi::set_timer(time::read64() + 12500);
unsafe { tcb.execute() };

// Trap 返回后判断原因
match scause::read().cause() {
    Trap::Interrupt(Interrupt::SupervisorTimer) => {
        tg_sbi::set_timer(u64::MAX);  // 清除中断
        false  // 不结束任务，切换到下一个
    }
    // ...
}

时间片轮转算法（Round-Robin）：

tg-ch3 使用最简单的轮转算法：维护一个任务索引 i，每次时钟中断后 i = (i + 1) % n，循环执行各任务。每个任务获得相等的时间片（12500 个时钟周期 ≈ 1ms，在 QEMU 12.5MHz 时钟下）。

3.6 时钟中断的实现

RISC-V 的时钟中断机制：

组件说明
mtime 寄存器硬件计数器，持续递增
mtimecmp 寄存器比较值，当 mtime >= mtimecmp 时触发中断
sie.stieS 特权级时钟中断使能位
set_timer()通过 SBI 调用设置 mtimecmp

初始化步骤：

  1. unsafe { sie::set_stimer() } —— 开启 S 特权级时钟中断
  2. 每次执行用户程序前：set_timer(time::read64() + interval) —— 设置下次中断时间

时钟中断到达后：

  1. 硬件自动陷入 S-mode
  2. scause = Interrupt::SupervisorTimer
  3. 内核清除中断并切换任务

3.7 系统调用

tg-ch3 在第二章的基础上新增了 yield 和 clock_gettime 两个系统调用：

syscall ID名称功能
64write将缓冲区数据写入文件描述符（fd=1 为标准输出）
93exit退出当前任务
124sched_yield主动让出 CPU，切换到下一个任务
113clock_gettime获取当前时间（纳秒精度）
410trace追踪系统调用信息（练习题，需自行实现）

clock_gettime 的实现原理：

用户程序调用 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts)
       │
       ▼
内核读取 RISC-V time 寄存器
       │
       ▼
将 tick 数转换为纳秒：time * 10000 / 125 = time * 80 ns
       │
       ▼
填充 TimeSpec { tv_sec, tv_nsec } 写回用户空间

3.8 调度事件机制

tg-ch3 引入了 SchedulingEvent 枚举来统一描述系统调用的调度效果：

事件含义触发条件
None继续执行当前任务write、clock_gettime 等普通系统调用
Yield切换到下一个任务yield 系统调用
Exit(code)任务退出exit 系统调用
UnsupportedSyscall(id)杀死任务不支持的系统调用

这种设计将系统调用的处理逻辑（在 handle_syscall 中）与调度决策（在主循环中）清晰分离。

四、代码解读

4.1 src/main.rs —— 内核主体

程序结构分为五个部分：

模块文档与属性（第 1-22 行）： 与第二章相同的 #![no_std]、#![no_main] 和条件编译属性。新增了 mod task 引入任务管理模块。

外部依赖引入（第 30-41 行）： 与第二章类似，但增加了 task::TaskControlBlock 的引用。

启动与初始化（第 45-56 行）：

  • global_asm!(include_str!(env!("APP_ASM")))：嵌入用户程序
  • APP_CAPACITY = 32：最大支持 32 个应用
  • boot0!(rust_main; stack = (APP_CAPACITY + 2) * 8192)：分配 272 KiB 内核栈（因为 TCB 中包含用户栈）

内核主函数 rust_main（第 60-153 行）：

核心的多道程序循环：

// 初始化 → 加载所有应用到 TCB 数组
// → 开启时钟中断
// → 轮转执行：
while remain > 0 {
    if !tcb.finish {
        set_timer(...);        // 设置时间片
        tcb.execute();         // 切换到 U-mode
        match scause {
            Timer     → 切换到下一个任务
            UserEnvCall → 处理系统调用
            Exception → 杀死任务
        }
    }
    i = (i + 1) % n;         // 轮转到下一个
}
shutdown()

接口实现模块 impls（第 164-237 行）： 在第二章的 Console、IO、Process 基础上，新增了：

  • Scheduling：处理 yield 系统调用
  • Clock：处理 clock_gettime 系统调用
  • Trace：练习题的占位实现

4.2 src/task.rs —— 任务管理

定义了两个核心类型：

TaskControlBlock：任务控制块

  • init(entry) —— 创建用户态上下文，分配独立用户栈
  • execute() —— 切换到 U-mode 执行
  • handle_syscall() —— 处理系统调用并返回调度事件

SchedulingEvent：调度事件枚举

  • None / Yield / Exit(code) / UnsupportedSyscall(id)

4.3 build.rs —— 构建脚本

与第二章结构相同，但根据 exercise feature 选择不同的测试用例集：

let case_key = if env::var("CARGO_FEATURE_EXERCISE").is_ok() {
    "ch3_exercise"   // 练习模式测例
} else {
    "ch3"            // 基础模式测例
};
函数功能
write_linker()生成链接脚本
ensure_tg_user()确保 tg-user 源码可用（本地或 cargo clone）
build_apps()读取 cases.toml 配置，编译所有用户程序
build_user_app()编译单个用户程序
objcopy_to_bin()将 ELF 转为纯二进制
write_app_asm()生成汇编文件，嵌入用户程序二进制
write_dummy_app_asm()生成空的占位汇编（用于 publish --dry-run）

4.4 Cargo.toml —— 配置与依赖

Features：

Feature说明
coop协作式调度：禁用时钟中断，任务需主动 yield
exercise练习模式：加载练习测例

Dependencies：

依赖说明
riscvRISC-V CSR 寄存器访问（sie、scause、time）
tg-sbiSBI 调用封装，包括 set_timer 设置时钟中断
tg-linker链接脚本生成、内核布局定位、用户程序元数据
tg-console控制台输出（print! / println!）和日志
tg-kernel-context用户上下文 LocalContext，实现特权级切换
tg-syscall系统调用定义与分发（含 Scheduling、Clock、Trace trait）

五、编程练习：实现 sys_trace

5.1 题目描述

在 tg-ch3 中，我们的系统已经能够支持多个任务分时轮流运行。我们希望引入一个新的系统调用 sys_trace（ID 为 410）用来追踪当前任务系统调用的历史信息，并做对应的修改。定义如下：

fn trace(&self, _caller: tg_syscall::Caller, _trace_request: usize, _id: usize, _data: usize) -> isize

调用规范：

这个系统调用有三种功能，根据 trace_request 的值不同，执行不同的操作：

trace_request功能参数说明返回值
0读取用户内存id 视为 *const u8，读取该地址处 1 字节该地址处的值（无符号）
1写入用户内存id 视为 *mut u8，写入 data 的最低字节0
2查询系统调用计数id 为系统调用编号该系统调用的调用次数（本次调用也计入统计）
其他无效忽略其他参数-1

说明：

  • 读写操作在未实现地址空间前并不安全，使用不当可能导致崩溃。不要求实现安全检查机制，只需通过测试用例即可。
  • 本章只要求追踪自身任务的信息，在后续章节引入进程、线程等概念后才会扩展到追踪其他任务。

5.2 实现提示

  • 大胆修改已有框架！ 除了配置文件，你几乎可以随意修改已有框架的内容。
  • 系统调用次数可以考虑在 TaskControlBlock::handle_syscall() 中统计。
  • 可以扩展 TaskControlBlock 结构来维护系统调用计数信息。
  • 不要害怕使用 unsafe 做类型转换，这在内核处理用户调用时是不可避免的。
  • 在实现时，可以把系统调用参数中前缀的下划线去掉，这样更清晰。

5.3 实验要求

目录结构：

tg-ch3/
├── Cargo.toml          # 内核配置文件
├── src/                # 内核源代码（需要修改）
│   ├── main.rs         # 内核主函数，包括系统调用接口实现
│   └── task.rs         # 任务控制块（需要扩展）
└── tg-user/            # 用户程序（运行时自动拉取，无需修改）
    └── src/bin         # 测试用例

tg-user 会在运行时自动拉取到 tg-ch3/tg-user 目录下，只需修改 tg-ch3/src/ 目录下的内核代码。

运行练习测例：

cargo run --features exercise

测试练习测例：

./test.sh exercise

六、本章小结

通过本章的学习和实践，你在第二章的基础上实现了重要的进化：

  1. 从串行到并发：批处理系统一次只运行一个程序，多道程序系统让多个程序交替执行，大幅提高 CPU 利用率
  2. 任务控制块（TCB）：将任务的上下文、状态和栈空间封装到统一的数据结构中，是后续章节进程管理的基础
  3. 协作式调度：任务通过 yield 主动让出 CPU，适用于 I/O 密集型场景
  4. 抢占式调度：时钟中断强制切换任务，保证公平性，防止任务独占 CPU
  5. 时间片轮转：最基本的调度算法，每个任务获得相等的时间片
  6. 时间管理：通过 clock_gettime 让用户程序获取系统时间

在后续章节中，我们将引入地址空间，为每个任务提供独立的虚拟内存，进一步增强隔离性和安全性。

七、思考题

  1. 协作式 vs 抢占式调度的权衡？ 协作式调度的优点和缺点分别是什么？在什么场景下协作式调度更合适？可以用 cargo run --features coop 体验协作式调度。

  2. 时间片大小的影响？ tg-ch3 使用 12500 个时钟周期作为时间片。如果把时间片设得非常大（如 1 秒），系统行为会如何变化？如果设得非常小（如 10 个时钟周期），又会有什么问题？

  3. 为什么需要 SchedulingEvent 枚举？ 如果不用枚举，直接在 handle_syscall 中决定是否切换任务，会有什么设计上的问题？

  4. 时钟中断和 sstatus.sie 的关系？ 在 Trap 处理过程中，时钟中断会被屏蔽吗？为什么 RISC-V 默认这样设计？这与嵌套中断有什么关系？

  5. 如果一个用户程序的用户栈溢出，会发生什么？ 在当前 tg-ch3 的设计中，栈溢出可能覆盖哪些数据？如何改进设计来检测栈溢出？

参考资料

附录：rCore-Tutorial 组件分析表

表 1：tg-ch1 ~ tg-ch8 操作系统内核总体情况描述表

操作系统内核所涉及核心知识点主要完成功能所依赖的组件
tg-ch1应用程序执行环境
裸机编程（Bare-metal）
SBI（Supervisor Binary Interface）
RISC-V 特权级（M/S-mode）
链接脚本（Linker Script）
内存布局（Memory Layout）
Panic 处理		最小 S-mode 裸机程序
QEMU 直接启动（无 OpenSBI）
打印 "Hello, world!" 并关机
演示最基本的 OS 执行环境		tg-sbi
tg-ch2批处理系统（Batch Processing）
特权级切换（U-mode ↔ S-mode）
Trap 处理（ecall / 异常）
上下文保存与恢复
系统调用（write / exit）
用户态 / 内核态
sret 返回指令		批处理操作系统
顺序加载运行多个用户程序
特权级切换和 Trap 处理框架
实现 write / exit 系统调用		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-syscall
tg-ch3多道程序（Multiprogramming）
任务控制块（TCB）
协作式调度（yield）
抢占式调度（Preemptive）
时钟中断（Clock Interrupt）
时间片轮转（Time Slice）
任务切换（Task Switch）
任务状态（Ready/Running/Finished）
clock_gettime 系统调用		多道程序与分时多任务
多程序同时驻留内存
协作式 + 抢占式调度
时钟中断与时间管理		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-syscall
tg-ch4虚拟内存（Virtual Memory）
Sv39 三级页表（Page Table）
地址空间隔离（Address Space）
页表项（PTE）与标志位
地址转换（VA → PA）
异界传送门（MultislotPortal）
ELF 加载与解析
堆管理（sbrk）
恒等映射（Identity Mapping）
内存保护（Memory Protection）
satp CSR		引入 Sv39 虚拟内存
每个用户进程独立地址空间
跨地址空间上下文切换
进程隔离和内存保护		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-kernel-alloc
tg-kernel-vm
tg-syscall
tg-ch5进程（Process）
进程控制块（PCB）
进程标识符（PID）
fork（地址空间深拷贝）
exec（程序替换）
waitpid（等待子进程）
进程树 / 父子关系
初始进程（initproc）
Shell 交互式命令行
进程生命周期（Ready/Running/Zombie）
步幅调度（Stride Scheduling）		引入进程管理
fork / exec / waitpid 系统调用
动态创建、替换、等待进程
Shell 交互式命令行		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-kernel-alloc
tg-kernel-vm
tg-syscall
tg-task-manage
tg-ch6文件系统（File System）
easy-fs 五层架构
SuperBlock / Inode / 位图
DiskInode（直接+间接索引）
目录项（DirEntry）
文件描述符表（fd_table）
文件句柄（FileHandle）
VirtIO 块设备驱动
MMIO（Memory-Mapped I/O）
块缓存（Block Cache）
硬链接（Hard Link）
open / close / read / write 系统调用		引入文件系统与 I/O
用户程序存储在磁盘镜像（fs.img）
VirtIO 块设备驱动
easy-fs 文件系统实现
文件打开 / 关闭 / 读写		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-kernel-alloc
tg-kernel-vm
tg-syscall
tg-task-manage
tg-easy-fs
tg-ch7进程间通信（IPC）
管道（Pipe）
环形缓冲区（Ring Buffer）
统一文件描述符（Fd 枚举）
信号（Signal）
信号集（SignalSet）
信号屏蔽字（Signal Mask）
信号处理函数（Signal Handler）
kill / sigaction / sigprocmask / sigreturn
命令行参数（argc / argv）
I/O 重定向（dup）		进程间通信-管道
异步事件通知（信号）
统一文件描述符抽象
信号发送 / 注册 / 屏蔽 / 返回		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-kernel-alloc
tg-kernel-vm
tg-syscall
tg-task-manage
tg-easy-fs
tg-signal
tg-signal-impl
tg-ch8同步互斥（Sync&Mutex）
线程（Thread）/ 线程标识符（TID）
进程-线程分离
竞态条件（Race Condition）
临界区（Critical Section）
互斥（Mutual Exclusion）
互斥锁（Mutex：自旋锁 vs 阻塞锁）
信号量（Semaphore：P/V 操作）
条件变量（Condvar）
管程（Monitor：Mesa 语义）
线程阻塞与唤醒（wait queue）
死锁（Deadlock）/ 死锁四条件
银行家算法（Banker's Algorithm）
双层管理器（PThreadManager）		进程-线程分离
同一进程内多线程并发
互斥锁（MutexBlocking）
信号量（Semaphore）
条件变量（Condvar）
线程阻塞与唤醒机制
死锁检测（练习）		tg-sbi
tg-linker
tg-console
tg-kernel-context
tg-kernel-alloc
tg-kernel-vm
tg-syscall
tg-task-manage
tg-easy-fs
tg-signal
tg-signal-impl
tg-sync

表 2：tg-ch1 ~ tg-ch8 操作系统内核所依赖组件总体情况描述表

功能组件所涉及核心知识点主要完成功能所依赖的组件
tg-sbiSBI（Supervisor Binary Interface）
console_putchar / console_getchar
系统关机（shutdown）
RISC-V 特权级（M/S-mode）
ecall 指令		S→M 模式的 SBI 调用封装
字符输出 / 字符读取
系统关机
支持 nobios 直接操作 UART		无
tg-console控制台 I/O
格式化输出（print! / println!）
日志系统（Log Level）
自旋锁保护的全局控制台		可定制 print! / println! 宏
log::Log 日志实现
Console trait 抽象底层输出		无
tg-kernel-context上下文（Context）
Trap 帧（Trap Frame）
寄存器保存与恢复
特权级切换
stvec / sepc / scause CSR
LocalContext（本地上下文）
ForeignContext（跨地址空间上下文）
异界传送门（MultislotPortal）		用户/内核态切换上下文管理
LocalContext 结构
ForeignContext（含 satp）
MultislotPortal 跨地址空间执行		无
tg-kernel-alloc内核堆分配器
伙伴系统（Buddy Allocation）
动态内存管理
#[global_allocator]		基于伙伴算法的 GlobalAlloc
堆初始化（init）
物理内存转移（transfer）		无
tg-kernel-vm虚拟内存管理
页表（Page Table）
Sv39 分页（三级页表）
虚拟地址（VAddr）/ 物理地址（PAddr）
虚拟页号（VPN）/ 物理页号（PPN）
页表项（PTE）/ 页表标志位（VmFlags）
地址空间（AddressSpace）
PageManager trait
地址翻译（translate）		Sv39 页表管理
AddressSpace 地址空间抽象
虚实地址转换
页面映射（map / map_extern）
页表项操作		无
tg-syscall系统调用（System Call）
系统调用号（SyscallId）
系统调用分发（handle）
系统调用结果（Done / Unsupported）
Caller 抽象
IO / Process / Scheduling / Clock /
Signal / Thread / SyncMutex trait 接口		系统调用 ID 与参数定义
trait 接口供内核实现
init_io / init_process / init_scheduling /
init_clock / init_signal /
init_thread / init_sync_mutex
支持 kernel / user feature		tg-signal-defs
tg-task-manage任务管理（Task Management）
调度（Scheduling）
进程管理器（PManager, proc feature）
双层管理器（PThreadManager, thread feature）
ProcId / ThreadId
就绪队列（Ready Queue）
Manage trait / Schedule trait
进程等待（wait / waitpid）
线程等待（waittid）
阻塞与唤醒（blocked / re_enque）		Manage 和 Schedule trait 抽象
proc feature：单层进程管理器（PManager）
thread feature：双层管理器（PThreadManager）
进程树 / 父子关系
线程阻塞 / 唤醒		无
tg-easy-fs文件系统（File System）
SuperBlock / Inode / 位图（Bitmap）
DiskInode（直接+间接索引）
块缓存（Block Cache）
BlockDevice trait
文件句柄（FileHandle）
打开标志（OpenFlags）
管道（Pipe）/ 环形缓冲区
用户缓冲区（UserBuffer）
FSManager trait		easy-fs 五层架构实现
文件创建 / 读写 / 目录操作
块缓存管理
管道环形缓冲区实现
FSManager trait 抽象		无
tg-signal-defs信号编号（SignalNo）
SIGKILL / SIGINT / SIGUSR1 等
信号动作（SignalAction）
信号集（SignalSet）
最大信号数（MAX_SIG）		信号编号枚举定义
信号动作结构定义
信号集类型定义
为 tg-signal 和 tg-syscall 提供共用类型		无
tg-signal信号处理（Signal Handling）
Signal trait 接口
add_signal / handle_signals
get_action_ref / set_action
update_mask / sig_return / from_fork
SignalResult（Handled / ProcessKilled）		Signal trait 接口定义
信号添加 / 处理 / 动作设置
屏蔽字更新 / 信号返回
fork 继承		tg-kernel-context
tg-signal-defs
tg-signal-implSignalImpl 结构
已接收信号位图（received）
信号屏蔽字（mask）
信号处理中状态（handling）
信号动作表（actions）
信号处理函数调用
上下文保存与恢复		Signal trait 的参考实现
信号接收位图管理
屏蔽字逻辑
处理状态和动作表		tg-kernel-context
tg-signal
tg-sync互斥锁（Mutex trait: lock / unlock）
阻塞互斥锁（MutexBlocking）
信号量（Semaphore: up / down）
条件变量（Condvar: signal / wait_with_mutex）
等待队列（VecDeque<ThreadId>）
UPIntrFreeCell		MutexBlocking 阻塞互斥锁
Semaphore 信号量
Condvar 条件变量
通过 ThreadId 与调度器交互		tg-task-manage
tg-user用户态程序（User-space App）
用户库（User Library）
系统调用封装（syscall wrapper）
用户堆分配器
用户态 print! / println!		用户测试程序运行时库
系统调用封装
用户堆分配器
各章节测试用例（ch2~ch8）		tg-console
tg-syscall
tg-checker测试验证
输出模式匹配
正则表达式（Regex）
测试用例判定		rCore-Tutorial CLI 测试输出检查工具
验证内核输出匹配预期模式
支持 --ch N 和 --exercise 模式		无
tg-linker链接脚本（Linker Script）
内核内存布局（KernelLayout）
.text / .rodata / .data / .bss / .boot 段
入口点（boot0! 宏）
BSS 段清零		形成内核空间布局的链接脚本模板
用于 build.rs 工具构建 linker.ld
内核布局定位（KernelLayout::locate）
入口宏（boot0!）
段信息迭代		无

License

Licensed under GNU GENERAL PUBLIC LICENSE, Version 3.0.

© 2026 Tencent, Inc. Supported by Tencent Cloud
About Us
Privacy Policy
Terms of Service
SLA
API
Docs
Showcase
Feedback
35/F,Tencent Building,Kejizhongyi Avenue,Nanshan District,Shenzhen
京ICP备11018762号-111
粤公网安备44030002006058号粤公网安备44030002006058号