面向操作系统课程教学与自学的组件化 Tangram rCore Tutorial 操作系统内核实验教程的汇总仓库。

本实验教程的目标：学生与AI充分合作，按章节学习操作系统内核的逐步演进过程，或按组件视角学习操作系统内核的总体架构和功能组成，从而能够把操作系统的原理概率与设计实现关联起来，并掌握操作系统的系统架构级设计能力。

本实验教程的任务：请看rcore-tutorial-ch[1-8]中的README.md中的## 练习任务小节的内容，了解并完成基础级和扩展级的任务要求。对于能力强的同学，请看docs\challenges.md的内容，了解并完成挑战级的任务要求。

汇总仓库包含：

• tg-rcore-tutorial-ch1~tg-rcore-tutorial-ch8：tg-rcore-tutorial-ch[1-8] 8 个渐进章节（每章是一个可独立运行的内核 crate + 指导文档）
• tg-*：可复用内核组件 crate（内存、虚存、上下文、同步、信号、文件系统等）
• tg-rcore-tutorial-user：用户态测试程序集合
• tg-rcore-tutorial-checker：测试输出检测工具
• tg-rcore-tutorial-linker：为 ch1~ch8的rCore Tutorial教学操作系统内核提供链接脚本生成功能

本实验教程是AI4OSE（AI for Operating System Engineering）的Lab1。

充分利用各类AI工具，完成位于 tg-rcore-tutorial-ch{3/4/5/6/8} 下所列的5个基础实验练习，夯实操作系统理论基础并提升实践能力，最终提交一份包含与AI合作的实现过程与学习收获的总结报告。

• 与AI合作的实现过程（包括如何与AI交互，碰到的问题/bug、解决过程等）
• 学习效果评估（包括自己在这个学习过程中知识和能力的提升/下降评价，与本校现有教学实验教程的定量/定性的对比分析）

充分利用各类AI工具，基于本教学实验教程--tg-rcore-tutorial，结合自身兴趣与学习需求，进行改进、扩展、裁剪、重构，或者自己从零构建，形成自己的个性化教学实验教程。需提交一份设计总结报告，内容包括：

• 设计思路与目标（包括适合自己的学习方式描述，初步设想和规划等）
• 与AI合作的实现过程（包括如何与AI交互，碰到的问题/bug、解决过程等）
• 学习效果评估（包括自己在这个学习过程中知识和能力的提升/下降评价，与本校现有教学实验教程的定量/定性的对比分析）

充分利用各类AI工具，设计实现tg-rcore-tutorial-ch{1~8}的游戏应用，并进一步扩展tg-rcore-tutorial-ch{1~8}内核，实现支持这些游戏应用的新内核，夯实操作系统理论基础并提升实践能力和创造能力，最终提交一份包含与AI合作的实现过程与学习收获的总结报告，内容包括：

• 与AI合作的实现过程（包括如何与AI交互，碰到的问题/bug、解决过程等）
• 学习效果评估（包括自己在这个学习过程中知识和能力的提升/下降评价，与本校现有教学实验教程的定量/定性的对比分析）

游戏应用和支持游戏的内核简要描述如下（注：下面的ch是tg-rcore-tutorial-ch的简写）

• ch1-tangram：demo，在ch1基础上扩展内核功能，静态显示七巧板“OS”图案，即基于 VirtIO-GPU 驱动操作 Framebuffer，将OS的代码中数组定义的七巧板“OS”图案像素数据直接渲染到帧缓冲，实现静态图片显示。
• ch2-moving-tangram：demo，在ch2基础上扩展内核功能，动态分步显示七巧板“OS”图案，即通过多程序批处理方式，每个程序渲染一块，逐块渲染七巧板“OS”的 n 个组成部分，实现动态拼接的视觉效果。
• ch3-snake：demo，实现用户态贪吃蛇游戏，支持轮询式输入和中断式输入两种控制方式；在ch3基础上扩展内核功能，支持运行用户态贪吃蛇游戏。
• ch4-tetris：demo，实现用户态单人俄罗斯方块游戏，支持方块旋转、行消除、计分、速度递增，无额外依赖；在ch4基础上扩展内核功能，支持运行用户态单人俄罗斯方块游戏。
• ch5-pingpong：demo，实现多进程协作的用户态双人乒乓游戏，支持键盘控制、碰撞反弹、计分，学习 2D 碰撞与帧刷新；在ch5基础上扩展内核功能，支持运行多进程协作的用户态双人乒乓游戏。
• ch6-breakout：demo，实现用户态打砖块游戏，支持碰撞反弹、计分，及通过快捷键保存/恢复游戏进度；在ch6基础上扩展内核功能，支持运行用户态打砖块游戏。
• ch7-pacman：demo，实现简化版用户态吃豆人游戏，还原经典玩法核心；在ch7基础上扩展内核功能，支持运行简化版用户态吃豆人游戏。
• ch8-doom：demo，移植用户态跨平台版 Doom 游戏，通过 Framebuffer 实现 3D 软件渲染；在ch8基础上扩展内核功能，支持运行用户态跨平台版 Doom 游戏。

完成后，并请与我们联系，分享你的实现过程与学习收获。想接受进一步的挑战，可访问AI4OSE（AI for Operating System Engineering）的Lab2。

不需要配置开发运行环境，只需有一个能上网的浏览器即可。

• 教程国内网址
  • 阅读豆包提供的基于 cnb 的Web IDE 实践 tg-rcore-tutorial 简易指导书并按其提示操作
• 教程国外网址
  • 阅读豆包提供的基于 github 的codespaces Web IDE 实践 tg-rcore-tutorial 简易指导书并按其提示操作

• Rust toolchain：本仓库使用 stable（见 rust-toolchain.toml）
• 目标架构：riscv64gc-unknown-none-elf
• 组件：rust-src、llvm-tools-preview（rust-toolchain.toml 已声明）
• QEMU：qemu-system-riscv64（建议 >= 7.0）
• 推荐工具：cargo-binutils、cargo-clone

git clone --recurse-submodules  https://github.com/rcore-os/tg-rcore-tutorial.git  #注：由于cnb.cool不支持git协议的clone，所以在cnb.cool开发环境中不宜采用这种方式
cd tg-rcore-tutorial
# 缺省在test分支，可通过下面的命令确保在test分支
git checkout test #切换到test分支

补充：没有采用"--recurse-submodules" 进行git clone 后，拉取各个submodule的步骤（适合cnb.cool开发环境）

git clone https://github.com/rcore-os/tg-rcore-tutorial.git
cd tg-rcore-tutorial
# 缺省在test分支，可通过下面的命令确保在test分支
git checkout test #切换到test分支
# 初始化并拉取所有子模块代码
#注：在cnb.cool开发环境中，由于git协议不支持submodule，所以需要切换到https协议，需要执行如下命令
./scripts/switch-submodule-protocol.sh https
#注：如果开发环境支持git协议，则不需要切换到https协议，即不需要执行上面这条命令
git submodule init   # 初始化.gitmodules配置
git submodule update # 拉取子模块的指定版本代码

方式 B：通过 crates.io 集合包获取（内嵌压缩包） 先安装 cargo-clone

cargo install cargo-clone

再拉取集合包并解包完整工作区：

cargo clone tg-rcore-tutorial # 也可带具体版本号 @0.4.5-preview.2
cd tg-rcore-tutorial
bash scripts/extract_submodules.sh
cd workspace-full/tg-rcore-tutorial

解包后将得到完整教学目录（包含 ch1~ch8、tg-*、tg-user、tg-checker）。

cargo clone tg-rcore-tutorial-ch3  #tg-rcore-tutorial-chX 是发布到 crates.io上的组件化内核， X=1..8 代表8个内核 
cd tg-rcore-tutorial-ch3  # 进入 tg-rcore-tutorial-ch3 内核

cd tg-rcore-tutorial-ch3
cargo run

如果你想直接做基本功能测试（例如 ch3）：

# 先安装tg-rcore-tutorial-checker`测试输出检测工具
cargo install tg-rcore-tutorial-checker
# 开始测试
cd tg-rcore-tutorial-ch3
cargo build   
./test.sh base

如果你想直接做练习章（例如 ch3）：

cd tg-rcore-tutorial-ch3
cargo build --features exercise
./test.sh exercise

路径	作用	你通常在什么时候用
tg-rcore-tutorial-ch[1-8]	8个章节的内核 + 实验指导	按课程顺序学习、做章节实验
tg-rcore-tutorial-console	控制台输出与日志	需要统一日志/输出接口
tg-rcore-tutorial-linker	链接脚本生成工具	构建内核镜像、管理链接符号
tg-rcore-tutorial-sbi	SBI 封装（含 nobios 支持）	与固件/定时器/关机交互
tg-rcore-tutorial-syscall	syscall 编号与 trait 框架	定义/实现系统调用
tg-rcore-tutorial-kernel-context	上下文切换与执行上下文	Trap、任务/线程切换
tg-rcore-tutorial-kernel-alloc	内核内存分配器	需要 #[global_allocator] 时
tg-rcore-tutorial-kernel-vm	地址空间与页表管理	ch4+ 虚存、映射、权限检查
tg-rcore-tutorial-task-manage	任务/进程/线程管理抽象	调度器与任务关系管理
tg-rcore-tutorial-easy-fs	教学文件系统实现	ch6+ 文件、目录、pipe
tg-rcore-tutorial-sync	同步原语（mutex/semaphore/condvar）	ch8 并发同步
tg-rcore-tutorial-signal-defs	信号号与结构定义	ch7+ 信号语义定义
tg-rcore-tutorial-signal	信号处理 trait 抽象	信号框架扩展点
tg-rcore-tutorial-signal-impl	信号处理具体实现	直接复用信号实现
tg-rcore-tutorial-user	用户程序与测试用例	内核构建期打包/拉取用户态测例
tg-rcore-tutorial-checker	输出匹配检测工具	自动判定章节测试是否通过

一共 23 个 crates ，分为 4 层：

• sbi , linker , console , kernel-context , kernel-alloc , kernel-vm , easy-fs , signal-defs , task-manage , checker

• syscall → 依赖 signal-defs
• signal → 依赖 kernel-context , signal-defs
• sync → 依赖 task-manage

• signal-impl → 依赖 kernel-context , signal
• user → 依赖 console , syscall

• ch1 → 仅依赖 sbi
• ch2 , ch3 → 依赖 5 个基础组件
• ch4 → 依赖 7 个组件（增加内存管理）
• ch5 → 依赖 8 个组件（增加进程管理）
• ch6 → 依赖 9 个组件（增加文件系统）
• ch7 → 依赖 11 个组件（增加信号处理）
• ch8 → 依赖 12 个组件（增加同步原语）

可进一步查看更详细的mermaid格式crates依赖关系分析图和ascii格式crates依赖关系分析图

章节	主题	默认运行	练习模式
tg-rcore-tutorial-ch1	裸机与最小执行环境	cargo run	无独立 exercise
tg-rcore-tutorial-ch2	Batch OS、Trap、基本 syscall	cargo run	无独立 exercise
tg-rcore-tutorial-ch3	多道程序与分时	cargo run	cargo run --features exercise
tg-rcore-tutorial-ch4	地址空间与页表	cargo run	cargo run --features exercise
tg-rcore-tutorial-ch5	进程与调度	cargo run	cargo run --features exercise
tg-rcore-tutorial-ch6	文件系统	cargo run	cargo run --features exercise
tg-rcore-tutorial-ch7	IPC（pipe/signal）	cargo run	基础测试为主
tg-rcore-tutorial-ch8	线程与并发同步	cargo run	cargo run --features exercise

5 个常见练习章：tg-rcore-tutorial-ch[34568]。

下面这张表用于跨章节快速定位源码阅读入口；每章 README 里还有更细的“源码阅读导航索引”。

章节（点击直达导航）	建议先读的源码文件（顺序）	关注主线
ch1	src/main.rs	裸机最小启动：_start -> rust_main -> panic
ch2	src/main.rs	批处理 + Trap + syscall 分发
ch3	src/task.rs -> src/main.rs	任务模型 + 抢占/协作调度
ch4	src/main.rs -> src/process.rs	页表与地址空间 + translate
ch5	src/process.rs -> src/processor.rs -> src/main.rs	fork/exec/wait 与进程关系管理
ch6	src/virtio_block.rs -> src/fs.rs -> src/main.rs	块设备到文件系统，再到 fd 系统调用
ch7	src/fs.rs -> src/process.rs -> src/main.rs	管道统一 fd 抽象 + 信号处理
ch8	src/process.rs -> src/processor.rs -> src/main.rs	线程化调度 + 同步原语阻塞/唤醒

cd tg-rcore-tutorial-ch<N>
cargo build
cargo run

./test.sh          # 默认（通常等价于 all 或 base）
./test.sh base     # 基础测试
./test.sh exercise # 练习测试（若该章支持）
./test.sh all      # 全量测试（若该章支持）

先安装（本地路径）：

cargo install --path tg-rcore-tutorial-checker

基础测试示例（以 tg-rcore-tutorial-ch2 为例）：

cargo run 2>&1 | tg-rcore-tutorial-checker --ch 2

练习测试示例（以 ch3 为例）：

cargo run --features exercise 2>&1 | tg-rcore-tutorial-checker --ch 3 --exercise

建议流程：

1. 在内核功能组件的目录先验证组件本身：

   cd tg-rcore-tutorial-sbi
   cargo check 
   

2. 测试依赖该组件的OS，做集成验证：

   cd tg-rcore-tutorial-sbi
   ./systest.sh -l  #测试依赖本地修改后的组件的各个内核是否能通过它们自身测试
   # 如果测试在crates.io上的组件是否能通过测试，则执行  ./systest.sh
   # 可通过修改 systest.txt 和sysdeps.txt 来灵活调整测试对象和测试本地修改的组件
   

1. tg-rcore-tutorial-ch1 -> tg-rcore-tutorial-ch2：跑通启动、Trap、基础 syscall
2. tg-rcore-tutorial-ch3 -> tg-rcore-tutorial-ch4：完成任务调度到地址空间
3. tg-rcore-tutorial-ch5 -> tg-rcore-tutorial-ch6：完成进程与文件系统
4. tg-rcore-tutorial-ch7 -> tg-rcore-tutorial-ch8：完成 IPC、线程与并发同步
5. 回到 tg-rcore-tutorial-*：按组件抽象复盘与重构

因为章节 crate 不在根 workspace 默认成员里。请进入 tg-rcore-tutorial-ch<N> 目录运行。

exercise 会启用章节额外需求（例如新增 syscall 或扩展行为），与基础模式测例不同是正常的。

先使用章节 ./test.sh，再用 tg-rcore-tutorial-checker 管线检测输出，可快速区分行为错误与输出不匹配。

• 章节文档：tg-rcore-tutorial-ch[1-8]/README.md
• 练习说明：tg-rcore-tutorial-ch[34568]/exercise.md

使用方法：先按“现象”定位，再执行“快速定位命令”，最后按“优先修复动作”处理。

现象	常见原因	快速定位命令	优先修复动作
can't find crate for core 或目标不支持	未安装 RISC-V 目标	`rustup target list --installed	rg riscv64gc-unknown-none-elf`
qemu-system-riscv64: command not found	QEMU 未安装或不在 PATH	qemu-system-riscv64 --version	安装 qemu-system-misc（Linux）或 qemu（macOS）
在仓库根目录 cargo run 失败	章节 crate 不在根 workspace 默认成员	pwd（确认当前目录）	进入具体章节目录后再 cargo run，如 cd ch4
cargo clone: command not found	缺少构建依赖工具	cargo clone --version	cargo install cargo-clone
构建阶段找不到 rust-objcopy	缺少 cargo-binutils/llvm-tools	rust-objcopy --version	cargo install cargo-binutils && rustup component add llvm-tools
ch6+ 运行时报块设备/镜像相关错误	fs.img 未生成或路径不匹配	`test -f target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/fs.img && echo ok
日志出现 unsupported syscall	syscall 未注册或用户/内核接口不一致	LOG=trace cargo run	检查 tg_syscall::init_* 与对应 impls 是否已实现并初始化
运行中出现 page fault / stval 异常	用户指针未翻译、权限标志不匹配、映射缺失	LOG=trace cargo run 并关注 trap 日志	优先检查 translate() 调用、VmFlags 权限、map/unmap 范围
base 能过但 exercise 失败	练习功能未实现或 feature 开关不一致	./test.sh base && ./test.sh exercise	对照 exercise.md 完成功能后使用 --features exercise 回归
测试输出看似正确但仍判失败	输出格式与 checker 期望不一致	`cargo run 2>&1	tg-rcore-tutorial-checker --ch [--exercise]`

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如果你是课程开发者，建议先读完本 README，把tg-rcore-tutorial-ch[1-8]的README.md看看，并运行一下，再从 tg-rcore-tutorial-ch3 或 tg-rcore-tutorial-ch4 开始做一个完整练习闭环（实现 -> 测试 -> 回归 -> 文档化），可以最快理解本仓库的“章节驱动 + 组件复用”开发模式。