通过系统综合实践

贯通计组编译操统

陈渝

清华大学计算机系

2023第17届全国高校操作系统课程教学研讨会

报告内容

- 背景和问题

- 编译/操统/计组的特点与联系

- 关于编译/操统/计组的综合实践

  • 清华操作系统课件：learningos.github.io/os-lectures/
  • 清华编译原理实验：decaf-lang.github.io/minidecaf-tutorial/
  • 奥地利萨尔茨堡大学三课融合实践：https://github.com/cksystemsteaching/selfie

背景与问题

  • 清华大学计算机系软件所 陈渝
    • 研究方向：操作系统
    • 教学内容：
      • “计算机科学基础” 大一第一学期
      • “编译原理” 大三第一学期
      • “操作系统” 大三第二学期
      • “高级操作系统” 研究生课

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背景与问题

清华SYS课程系列

  • 计算机系统概论 大二第一学期
  • 计算机组成原理 大三第一学期
  • “编译原理” 大三第一学期
  • “操作系统” 大三第二学期
  • “计算机系统结构” 大三第二学期
  • “计算机网络原理” 大三第一学期

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背景与问题

  • WHY "从操作系统角度看编译原理/计算机组成原理"
  • SYS Courses --> SOS Courses
    • 学生觉得学习这三门课程很难/量大，缺乏兴趣
    • 老师觉得讲授这三门课程很难/量大，缺乏动力
    • 三门课程的内容相对独立，缺少联系
    • 与实际应用的联系不够紧密，缺少牵引性

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背景与问题

  • WHY "从操作系统的角度看编译原理和计算机组成原理"
    • 我们培养学生的目标
      • 系统分析能力：提问题
      • 系统抽象能力：建模型
      • 系统综合能力：系统观
      • 系统设计能力：理思路
      • 系统实现能力：写代码
    • 这些能力更多是通过学生的自身实践来获得的，上课是实践的辅助
    • 而老师的主要精力可能花在讲授知识上了，导致目标与现状不符

背景与问题

简洁明了的上古计算机系统

  • Dennis Ritchie开发的CC编译器源码行数：< 1万行
  • Ken Thompson开发的UNIX内核源码行数：< 1万行
  • Intel 4004 晶体管数量：2300个
    • Marcian Hoff提出单芯片思路，Federico Faggin完成设计实现

编译器<-->操作系统<-->计算机组成之间的整体交互简单清晰 学生能够通过实践对计算机系统有全面的理解 通过Compiler/OS/CPU的实践让学生足以产生计算机操作的连贯画面

背景与问题

日趋复杂的现代计算机系统

  • GCC-11 编译器源码行数：1667万行 增加了一千倍
  • Linux-6.0 内核源码行数：3306万行 增加了三千倍
  • AMD桌面处理器5950X 晶体管数量：395亿 增加了一千七百万倍

复杂性的必然结果是专业化，清晰度消失了 计算机系统的本质隐藏在各种晦涩的接口和实现中 学生也陷入了知识的汪洋大海中，难以把握全局

背景与问题

学生学习系统类课程的困难

  • 实际实现与抽象概念的巨大差距
    • 学生难以理解老师和课本中的概念
  • 代码阅读量不够
    • 学生难以理解程序的实现细节

背景与问题

学生学习系统类课程的困难

  • 复杂的实验和编程任务
    • 课程通常需要与计算机底层打交道
    • 学生可能缺乏与计算机底层相关的实践经验
  • 缺乏系统性和整体性
    • 学生难以理解系统类课程的知识体系
    • 学生难以把这些课程综合起来理解和灵活运用

背景与问题

解决上述问题的已有方法

  • 新类型教材与实验
  • 《计算机系统基础 第2版》，袁春风、余子濠
  • 《计算机系统- 系统架构与操作系统的高度集成》(Computer Systems: An Integrated Approach to Architecture and Operating System), Umakishore Ramachandran等
  • 《计算机系统设计原理》(Principal of Computer System Design), Jerome H. Saltzer等

背景与问题

解决上述问题的已有方法

  • 新类型教材与实验
    • 《深入理解计算机系统》（Computer Systems: A Programmer's Perspective，CSAPP ）, Randal E. Bryant等, 2003
      • 全面覆盖计算机系统原理
      • 注重底层原理的实践和应用
      • 一些内容过于深入

背景与问题

解决上述问题的已有方法

  • 新类型教材与实验
  • 《从NAND到Tetris：用硬件和软件构建现代计算机》(The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles), Noam Nisan等，2005
    • 从基础的布尔逻辑、组合逻辑和时序逻辑开始，逐步引导读者构建出一个简单的计算机
    • 涵盖了计算机系统的各个层面，包括硬件、指令集架构、汇编语言、编译器、操作系统和应用程序等

报告内容

- 背景和问题

- 编译/操统/计组的特点与联系

- 关于编译/操统/计组的综合实践

编译/操统/计组的特点与联系

- 共性在哪里？

- 关系在哪里?

- 需要老师/学生掌握的核心点是啥？

编译/操统/计组的特点与联系

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编译/操统/计组的特点与联系

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编译/操统/计组的特点与联系

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编译/操统/计组的特点与联系

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编译/操统/计组的特点与联系

共性的关键点

方法：归纳与抽象（做减法）--形成--> 关键点

  • 编译原理：词法与语法（去除复杂语法分析/代码优化/中间表示等）
  • 操作系统：进程（去除地址空间/文件/同步互斥/性能优化等）
  • 计算机组成原理：机器指令/语言（去除流水线等优化实现） 简化已有课程的知识点，只留下基本关键点

编译/操统/计组的特点与联系

共性的关键点（留本质）

语言 Language --体现--> 功能

  • 编译原理：高级语言--中间语言--汇编语言
  • 操作系统：高级语言+汇编语言+系统调用
  • 计算机组成原理：机器语言（汇编语言）及其硬件实现

编译/操统/计组的特点与联系

关系的关键点（留本质）

接口 Interface --体现--> 关系

  • 编译原理<-->计算机组成原理：数据与程序的机器表示
  • 编译原理<-->操作系统：机器视角下的程序结构/控制流/变量访问
  • 计算机组成原理<-->操作系统：汇编语言/特权级/中断/虚拟地址

编译/操统/计组的特点与联系

需要老师/学生掌握的核心点：高级语言编写的程序如何编译--加载--运行

  • 基于语言和接口，用全局的思路来理解编译/操统/计组
  • 用一个工程项目(甚至一个程序)来实践编译/操统/计组
  • 讲课内容：简化的编译/操统/计组的核心关联知识
    • 编译：高级语言 --> 汇编语言 --> 机器语言
    • 计组：机器语言 --> 特权级指令：数据处理/CPU状态
    • 操统：高级语言 --> 特权级指令：控制CPU/处理中断

报告内容

- 背景和问题

- 编译/操统/计组的特点与联系

- 关于编译/操统/计组的综合实践

关于编译/操统/计组的综合实践

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关于编译/操统/计组的综合实践

邢其正 本科：北京科技大学，研究生：北京大学，将去阿里工作

  • 2021年作为出题导师参加全国大学生计算机系统能力大赛
    • https://github.com/maxXSoft
    • proj5-fuxi-full-system-with-cpu-compiler-os
    • 处理器: Fuxi (伏羲), 32-bit pipelined RISC-V CPU
    • 编译器: Yu (羽), a simple system programming language
    • 操作系统: GeeOS (寂), a lightweight, UNIX like operating system written in YuLang,running on Fuxi

关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想
    • 老师/学生能够得到的收获
      • 三者的抽象能力
      • 三者的综合能力
      • 三者的实践能力
    • 不涉及
      • 性能优化，/操作系统/编译器/计算机组成的非相关复杂细节

关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想
    • 综合性辅助工具：简化三门课程，形成辅助工具
    • 可视化展示：能够动态展示软硬件协同的运行细节
    • 课外实验指导：形成课外实验指导书，可扩展工具

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关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想

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关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想
    • 一个简化RISC-V的处理器设计：定义机器语言
      • 初级：纯软件实现的硬件指令功能模拟
      • 基本计算/控制指令
      • 特权级/中断支持
      • (option)虚拟地址支持
      • (option)高级：课硬件实现的时钟周期级模拟仿真

关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想
    • 一个简化的C语言子集的编译器设计：定义高级语言，编译为RISC-V汇编语言
      • 初级：只有基本整型数的运算和基本控制逻辑
      • 中级：可支持函数和结构型数据
      • (option)高级：可支持指针、数组

关于编译/操统/计组的综合实践

  • 初步构想
    • 一个面向简化RISC-V并基于简化C语言的OS设计：定义上下接口
      • 初级：支持一个计算和"Helloworld"输出功能的应用加载与执行
      • 中级：支持两个应用交替加载与执行
      • 高级：支持虚拟内存
      • 高级：支持文件系统

谢谢！

全国大学生计算机系统能力大赛操作系统比赛 https://os.educg.net

开源操作系统训练营 https://github.com/LearningOS/rust-based-os-comp2023