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
  • 代码导读

深受折磨的《计算机系统基础》

来上《计算机系统基础》的初衷

你是否困惑，“学这个东西到底有什么用”？

  • 你是否用 “总有用的” 来麻痹自己？
  • 你是否为考了 90 分/考过了/...沾沾自喜？
  • 你认为你是扎实地掌握了内容，还是一过即忘的应试？

John Hopcroft (1986 Turing Award, with Robert Tarjan)

  • Hopcroft-Karp Algorithm, $O(E\sqrt V)$ 二分图匹配
    • 中国本科生教育并没有为研究型博士创造出足够的高质量申请人
    • 中国高校过于注重国际声望，把经费和论文数量作为重要的衡量指标
    • 高质量本科生数量远远无法达到社会需求

让时间回到 1974 年……

世界上第一台 PC (Altair-8800, Intel 8080)

  • Intel 8080 Manual
    • 有它，就有整个世界
    • 就像你们在 PA2 里体验的那样
      • Simple, but not simpler

就在几乎同时……

Bill Gates 从 Harvard 退学，创建 Microsoft (1975)

  • 这是耳熟能详的故事

Bill Gates 和 Paul Allen 在 PDP-10 上实现了 Altair 8800 的全系统模拟器和 BASIC 解释器

  • 成就了 PC 的传奇
  • 没有软件，硬件毕竟只是一堆烂铁

我们花了 40 年追上了 Bill Gates 的脚步

我们应该高兴？高兴？还是高兴？

我们的 modernize 还有很长的路要走

  • 包括《计算机系统基础》
  • 必须以 “融会贯通” 的标准要求大家
    • “混个眼熟，以后再学” $=$ 自欺欺人

计算机系统的构造与解释

《计算机系统基础》里的三要素

代码

指令集

  • x86-64, RV32IM, ...

电路

  • 逻辑门、导线、触发器

代码 (C) → 指令集 → 逻辑门 (计算机)

  • 这也太难了吧

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: portsmouthnavalshipyardmuseum.com)

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)
    • 例子：bash v.s. PowerShell

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

A New Approach to ICS


(以及 jyy 的消失)

在计算机诞生之前……

我们可以用逻辑电路搭计算器

  • 我们可以分成 core, uncore, ...

把计算器变成计算机

只需要两条指令和一个编译器

00000000 <entry>:
   0:   00100513   li  a0,1    # R[a0] <- 1
   4:   04800593   li  a1,72   # R[a1] <- 0x48 ('H')
   8:   00100073   ebreak      # hyper-call(a0, a1)
   c:   06900593   li  a1,105  # R[a1] <- 0x69 ('i')
  10:   00100073   ebreak
  14:   00a00593   li  a1,10   # R[a1] <- 0x0a ('\n')
  18:   00100073   ebreak
  1c:   00200513   li  a0,3    # R[a0] <- 3
  20:   00100073   ebreak
  • 回顾：代码 (C) → 指令集 → 逻辑门 (计算机)

von Neumann 计算机

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。(存储程序的通用性真正掀起了计算机走向全领域的革命。)

我们还需要什么？

你们在《计算机系统基础》中学习的机制

  • I/O + 中断 = 丰富的应用
  • 中断 + 更大的内存 = 分时多线程
  • 分时多线程 + 虚拟存储 = 进程
  • 多处理器
  • ……

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

Makefile

Make 是大家接触的第一个 build system

  • Classic
    • GNU Make (有人问起过 CMake)
  • Modern
    • Markdown + Doc comments (# 的使用)

下一步？

为什么指定了 ARCH，就可以编译出一个目标平台的可执行文件？

  • RTFSC? RTFM?

一切皆程序 (command-line shell; makefile; ...)

  • 理解程序有两种方法：静态 v.s. 动态
    • 我们可以看执行的 trace！
      • 《计算机系统基础》处处是彩蛋

计算机系统的一切在此刻不再神秘 (用对的方式做对的事)

$ make -nB \
  | grep -ve '^\(\#\|echo\|mkdir\|make\)' \
  | sed "s#$AM_HOME#\$AM_HOME#g" \
  | sed "s#$PWD#.#g" \
  | vim -

总结

树立一个 “标准”

困难的东西总是存在简单的解释

  • 简单 $\ne$ trivial
  • 简单 $\ne$ 舒适
  • 简单 $\ne$ 内卷
  • 简单 $=$ 专业的训练和素质
  • 简单 $=$ 痛苦的折磨

这才是你们要上的大学

Real power can't be given. It must be taken. ——Godfather

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……

八卦 (3): PA 的后续

RISC-V 恰如其时地出现了

是时候革了《计算机系统基础》的命了

  • 代码-指令-硬件
  • (做好跳票准备)

End.

Happy Hacking!