AbstractMachine 选讲

蒋炎岩

　　南京大学　　

计算机科学与技术系

计算机软件研究所

本讲概述

困惑：为什么需要 AbstractMachine?

复杂系统的构造与解释
理解计算机系统
理解 AbstractMachine
代码导读

复杂系统的构造与解释

《计算机系统基础》到底学什么？

一句话的 take-away message: “计算机系统是一个状态机”。

更具体一点？

状态机的状态是什么？
- 内存 + 寄存器 + (外部设备状态)
状态机的行为是什么？
- 取指令 + 译码 + 执行
- 输入/输出设备访问
- 中断 + 异常控制流
- 地址转换
(是否感到驾驭不了？)

复杂中隐藏的秩序

理解/构造一个复杂系统 (操作系统/处理器/航母)？

USS Midway (CV-41); 1945 年首航，“沙漠风暴” 行动后退役
- 舰船配置；资源管理/调度；容错……

(picture: www.seaforces.org; familyvacationhub.com)

复杂中隐藏的秩序 (cont'd)

航母不是一天造成的。

(picture: history.navy.mil)

复杂中隐藏的秩序 (cont'd)

采矿船继承了航海时代的设计。

(picture: onlyinyourstate.com)

复杂中隐藏的秩序 (cont'd)

复杂系统的演化通常是 evolutionary 的而不是 revolutionary 的。

无法第一次就设计出 “绝对完美” 的复杂系统

(因为环境一直在变)

实际情况：从 minimal, simple, and usable 的系统不断经过 local modifications (trial and errors)

计算机硬件
操作系统
编译器/程序设计语言
- 需求和系统设计/实现螺旋式迭代

理解计算机系统

在计算机诞生之前……

Alan Turing's “machine” (1936)

并没有真正 “造出来”
纸带 + 自动机
- 纸带 map<int,int> mem
- 读写头 pos
- 自动机 (程序)
  - (移动读写头) pos++, pos--
  - (写内存) mem[pos] = 0, mem[pos] = 1
  - (读内存) if (mem[pos]) { } else { }
  - (跳转) goto label
  - (终止) halt()

ENIAC: 人类可用的 Turing Machine

ENIAC Simulator by Brian L. Stuart

20 word (not bit) memory
自带 “寄存” 的状态 (寄存器)
支持算数运算
支持纸带 (串行) 输入输出

von Neumann Machine: 存储程序控制

可以把状态机的形态保存在存储器里，而不要每次重新设置。

计算机的设计受到数字电路实现的制约

执行一个动作 (指令) 只能访问有限数量的存储器
- 常用的临时存储 (寄存器；包括 PC)
- 更大的、编址的内存
- (是不是想起了 YEMU?)

von Neumann Machine: 更多的 I/O 设备

存储程序的通用性真正掀起了计算机走向全领域的革命。

只要增加 in 和 out 指令，就可以和物理世界建立无限的联系
- 持久存储 (磁带、磁盘……)
- 读卡器、打印机……

中断：弥补 I/O 设备的速度缺陷

CPU cycles 实在太珍贵了

不能用来浪费在等 I/O 设备完成上
- 拥有机械部件的 I/O 设备相比于 CPU 来说实在太慢了

中断 = 硬件驱动的函数调用

相当于在每条语句后都插入

if (pending_io && int_enabled) {
  interrupt_handler();
  pending_io = 0;
}

(硬件上好像不太难实现)
- 于是就有了最早的操作系统：管理 I/O 设备的库代码

中断 + 更大的内存 = 分时多线程

void foo() { while (1) printf("a"); }
void bar() { while (1) printf("b"); }

能否让 foo() 和 bar() “同时” 在处理器上执行？

借助每条语句后被动插入的 interrupt_handler() 调用

void interrupt_handler() {
  dump_regs(current->regs);
  current = (current->func == foo) ? bar : foo; 
  restore_regs(current->regs);
}

操作系统背负了 “调度” 的职责

分时多线程 + 虚拟存储 = 进程

让 foo() 和 bar() 的执行互相不受影响

在计算机系统里增加映射函数 $f_\texttt{foo}$, $f_\texttt{bar}$
- foo 访问内存地址 $m$ 时，将被重定位到 $f_\texttt{foo}(m)$
- bar 访问内存地址 $m$ 时，将被重定位到 $f_\texttt{bar}(m)$

foo 和 bar 本身无权管理 $f$
- 操作系统需要完成进程、存储、文件的管理
- UNIX 诞生 (就是我们今天的进程; Android app; ...)
  - gcc a.c
  - readelf -a a.out → 二进制文件的全部信息

故事其实没有停止……

面对有限的功耗、难以改进的制程、无法提升的频率、应用的需求

多处理器、big.LITTLE、异构处理器 (GPU, NPU, ...)
单指令多数据 (MMX, SSE, AVX, ...), 虚拟化 (VT; EL0/1/2/3), 安全执行环境 (TrustZone; SGX), ...

演化视角的 AbstractMachine

如果我们只是为了使用计算机系统，而不关心它的实现？

Turing Machine (TRM)

任何编程语言编译后都表达了 “内存上的计算”。

一段 C (C++ w/o RTTI, Rust, ...) 程序

它也是一个状态机
- 回到了课程的 take-away message
从 main 开始
- 一段自由内存 heap
- 随时可以终止 halt
- 随时可以输出 putch

I/O Extension (IOE)

计算机在演化的过程中多了 in 和 out 指令。

我们也配上 read 和 write 不就好了？

一个非常简化的设备模型

但足够支持许多 non-trivial 的软件了 (例如 LiteNES)

Context Extension (CTE)

相当于在每条指令之后都插入了异常/中断的检查

我们的代码会自动保存异常/中断返回的处理器状态 (context)

// after each instruction
if (has_exception) {
  exception_handler();
}
if (has_interrupt && int_enabled) {
  interrupt_handler();
}

此时 “计算机系统” 对应的状态机发生了怎样的改变？
- thread-os.c

AbstractMachine 的设计取舍

提供最少机制以实现现代计算机系统软件

TRM (程序所需最小的运行环境)
IOE (仅提供一些系统无关的设备抽象)
CTE (简化、统一、相对低效的中断处理)
VME (基于页的映射，忽略硬件实现)
MPE (假设 race-freedom、简化的系统模型)

我们的设计做了怎样的取舍？

得到：统一简洁的接口
- 适合教学；跨体系结构存活 (甚至有 native)
失去：实际系统的特性支持
- 不连续的内存、热插拔内存、Access/Dirty Bit……

代码导读

总结

八卦 (1): PA 的由来

yzh 觉得……好像只有 OS 不够劲啊

而且 OSLab 上来就把 x86 的手册丢给你好像不太好玩

那就让大家好好读读 x86 手册吧……那……

就做个模拟器好啦，反正就是照着手册写一遍的事
于是就有了 PA: 简易 x86 全系统模拟器
目的是让大家知道“什么是计算机”

八卦 (2): PA 的后续

觉得虽然体系里的确什么都有了，但还是不够劲啊，不如玩个大的？

自己写个 CPU

上面跑自己的 OS

上面跑自己编译器编译出来的应用程序

应用程序可以是 NEMU

NEMU 又跑自己的 OS……

好吧我承认这有点炫酷

但用 Verilog (Chisel) 写个 x86 的 CPU 好像夸张了点……

AbstractMachine: 演化观点的系统抽象

抽象带来的好处

写操作系统再也不用汇编了
- 如果你们看过一些 “自己动手写操作系统” 类的书，前面讲 x86 的部分就根本不想看下去了
在正确的抽象层上写代码能减少细节纠结
软件正确性可以互相验证
- 软件在 native 调试，调试好了再上体系结构运行

在抽象层上工作带来的额外好处

trace
model checking
formal verification

End. (这是计算机系统的完整故事)

本学期 (ICS)

实现 x86/riscv/mips 上的 AbstractMachine API

下学期 (OS)

基于 AbstractMachine 实现多处理器操作系统