硬件：数字逻辑电路

大一下：数字逻辑电路与计算机组成

计算机系统的 “公理系统”

• 数字系统 = 状态机
  • 状态：触发器 (bit array)
  • 迁移：组合逻辑 (真值表)

“数码管” 作为第一个例子

• UNIX Philosophy 和 “编程” 的力量

应用：编程语言和算法

大一上/下：程序设计

C/Java/Python 程序 = 状态机

• 状态：栈、堆、全局变量
• 迁移：语句 (或语句一部分) 的执行
  • “程序设计语言的形式语义”

编程 = 描述状态机

• 将人类世界的需求映射到计算机世界中的数据和计算
  • 调试理论：Fault, Error 和 Failure
• 允许调用外部函数 (请求操作系统)

从 “编程语言” 到 “数字电路”

源代码 = 字节序列

696e 7420 6d61 696e 2829 207b 0a20 2020  int main() {.   
2070 7269 6e74 6628 2248 656c 6c6f 2057   printf("Hello W
6f72 6c64 5c6e 2229 3b0a 7d0a            orld\n");.}.

计算机系统线的课程 (计算机系统基础、操作系统) 课程回答的根本问题

• “字节序列” 是如何真正运行起来的？
  • 应用和硬件视角之间是什么？

教学思路：数学视角的计算机系统

状态机是可以模拟的

• Everything is a state machine
• Emulate state machines with executable models
• Enumeration demystifies operating systems

我们的模拟器

• 数码管/nvboard
• mini-rv32ima/NEMU Programming Assignment
• Mosaic model checker
  • “计算机世界里没有魔法”
  • 一切都是有严格定义的数学对象

1. C → SimpleC

还是 “模拟”

• 在 C 中模拟 C

2. SimpleC → 汇编

指令集体系结构

• “Low-level semantics”
• 在逻辑门之上建立的 “指令系统” (状态机)
  • The RISC-V Instruction Set Manual
  • 既容易用电路实现，又足够支撑程序执行

编译器 (也是个程序)

• 将 “高级” 状态机 (程序) 翻译成的 “低级” 状态机 (指令序列)
  • 翻译准则：外部可见的行为等价

3. 一条特殊的指令

System Call (syscall, ecall, ...)

syscall = “jal”:  // sysret: 逆操作
    mov %rip, %rcx
    mov %rflags, %r11
    set SS = kernel, SS = kernel, CPL = 0
    jmp IA32_LSTAR  // System Target Address Register

• 跳转到操作系统代码执行
• 计算机系统仍然是状态机

4. 操作系统对象和 API

• Concurrency - thread.h 打开潘多拉的盒子
• Virtualization - Shell; 金山游侠、按键精灵和变速齿轮
• Persistence - readfat

无意之间

实现一切：Everything is a state machine

• (User) pstree, libco, gpt.c, sperf, crepl, fsrecov
• (Kernel) 从 Firmware 到第一个用户程序, thread-os, Linux minimal, “核弹发射器” 驱动……

理解一切：高级语言程序的 “最底层” 视角

• 也解答了许多 “困扰已久” 的问题
  • a.out 是什么？执行的第一条指令在哪里？printf (和其他库函数) 在哪里？是怎么实现的？

从逻辑门到计算机系统

打印 Hello World

• 应用程序 (app) → 库函数 → 系统调用 → 操作系统中的对象 → 操作系统实现 (C 程序) → 设备驱动程序 → 硬件抽象层 → 指令集 → CPU, RAM, I/O设备 → 门电路

操作系统课给这个稍显复杂的过程一个清晰的轮廓

• 你可以在其中的每一步都对应到一个具体的示例代码
  • “这一切是可以掌控的”
  • RTFM, RTFSC, ASFAI

《操作系统》：你的真正 “编程” 启蒙课

你不再惧怕任何 “system”

• 嵌入式系统
• 通用操作系统
• 数据库系统
• 分布式系统

也不再惧怕任何 “需求” 的实现

• 找到合适的系统调用实现
• 做不到？可以自己加个系统调用
• 软件上实现不了？可以改 CPU 来支持！

一些有趣的例子

“一切都是状态机”

• 如果我们能得到状态的快照？
  • Profiler, model checker, failure recovery, ...

“观察状态机的执行”

• Lockdep: 在每次 lock/unlock 的时候插入一条 printf”
  • 这就是 dynamic analysis 的本质

“文件系统是磁盘上的一个数据结构”

• 通过 append-only 实现 journaling
  • 更多的存储系统也是数据结构 (例子：block chain)

并发：走向分布式系统

如何为网络上的多台计算机提供统一的应用程序接口？

• 把多个分布的、随时可能离线的计算机组成一个存储系统
• 在存储的基础上完成计算

虚拟化：重新理解操作系统设计

Microkernel, Exokernel, Unikernel

• 没有人规定操作系统里一定要有 “文件”、“进程” 这些对象

持久化：重新理解持久存储设计

文件系统没能解决的需求

• 大量的数据 (订单、用户、网络……) + 非简单目录遍历性质的查询

和操作系统相关的 Topics

Computer Architecture

• 计算机硬件的设计、实现与评估

Computer Systems

• 系统软件 (软件) 的设计、实现与评估

Network Systems

• 网络与分布式系统的设计、实现与评估

和操作系统相关的 Topics (cont'd)

Programming Languages

• 状态机 (计算过程) 的描述方法、分析和运行时支持

Software Engineering

• 程序/系统的构造、理解和经验

System/Software Security

• 系统软件的安 (safety) 全 (integrity)