操作系统-NachOS

NachOS环境安装与简介笔记。

1. NachOS 的硬件环境

NachOS 并不运行在真实的硬件上，而是通过软件模拟一个简化的硬件环境，包括：

MIPS R2000/R3000 处理器:
- 模拟了 MIPS 的指令集（如算术指令、逻辑指令、分支指令、加载/存储指令等）。
- 模拟了 MIPS 的寄存器（如 $0、$2、PC 等）。
- 模拟了 MIPS 的异常处理机制（如 SyscallException、OverflowException 等）。
内存管理:
- NachOS 模拟了物理内存和虚拟内存的地址转换。
- 支持分页机制和 TLB（Translation Lookaside Buffer）。
I/O 设备:
- 模拟了简单的控制台输入输出。
- 提供了磁盘和文件系统的模拟。

2. 为什么选择模拟 MIPS

NachOS 选择模拟 MIPS 的原因主要包括以下几点：

(1) MIPS 的简洁性

固定指令长度:
- MIPS 的指令长度固定为 32 位，指令格式简单，易于解析和模拟。
- NachOS 的指令解码逻辑（如 Instruction::Decode）非常简洁：
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  rs = (value >> 21) & 0x1f; rt = (value >> 16) & 0x1f; rd = (value >> 11) & 0x1f; extra = value & 0xffff;
RISC 架构:
- MIPS 是一种 RISC（精简指令集计算机）架构，指令集小而精简，便于教学和模拟。
- NachOS 的设计目标是教学，因此选择了易于理解的 MIPS 架构。

(2) 教学目的

NachOS 是一个教学操作系统，旨在帮助学生理解操作系统的基本原理。
MIPS 是许多计算机体系结构课程中常用的教学架构，学生对其指令集和行为较为熟悉。
模拟 MIPS 可以让学生专注于操作系统的设计，而无需处理复杂的硬件细节。

(3) MIPS 的广泛应用

在 NachOS 开发时（20 世纪 90 年代），MIPS 是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于路由器、游戏机等设备。
模拟 MIPS 可以让学生了解一种实际使用的处理器架构。

(4) NachOS 的历史背景

NachOS 的开发者选择 MIPS 是因为当时的 MIPS 模拟器（如 Ousterhout 的 MIPSSIM）已经存在，NachOS 可以直接基于这些模拟器进行开发。

NachOS 的 mipssim.cc 文件中明确提到：

1 2	`// mipssim.cc -- simulate a MIPS R2/3000 processor // This code has been adapted from Ousterhout's MIPSSIM package.`

3. NachOS 如何模拟 MIPS

NachOS 的 MIPS 模拟器主要由以下部分组成：

(1) 指令解码

NachOS 使用 Instruction::Decode 函数解析 MIPS 指令的字段（如操作码、寄存器编号、立即数等）。

示例代码：

void Instruction::Decode() {
    rs = (value >> 21) & 0x1f;  // 源寄存器
    rt = (value >> 16) & 0x1f;  // 目标寄存器
    rd = (value >> 11) & 0x1f;  // 结果寄存器
    extra = value & 0xffff;     // 偏移量或立即数
}

(2) 指令执行

NachOS 使用 Machine::OneInstruction 函数模拟 MIPS 指令的执行。

示例代码：

case OP_ADD:
    sum = registers[instr->rs] + registers[instr->rt];
    if (!((registers[instr->rs] ^ registers[instr->rt]) & SIGN_BIT) &&
        ((registers[instr->rs] ^ sum) & SIGN_BIT)) {
        RaiseException(OverflowException, 0);
        return;
    }
    registers[instr->rd] = sum;
    break;

(3) 异常处理

NachOS 模拟了 MIPS 的异常处理机制，例如系统调用异常（SyscallException）和算术溢出异常（OverflowException）。

示例代码：

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case OP_SYSCALL:
    RaiseException(SyscallException, 0);
    return;

(4) 内存管理

NachOS 模拟了 MIPS 的地址转换机制，包括页表和 TLB。

示例代码：

int Machine::Translate(int virtAddr, int* physAddr, int size, bool writing) {
    unsigned int vpn = (unsigned) virtAddr / PageSize;
    unsigned int offset = (unsigned) virtAddr % PageSize;
    TranslationEntry* entry = &pageTable[vpn];
    *physAddr = entry->physicalPage * PageSize + offset;
    return TRUE;
}

4. 总结

NachOS 的硬件环境是一个模拟的 MIPS R2000/R3000 处理器，选择模拟 MIPS 的原因包括：

MIPS 的简洁性: 固定指令长度和精简指令集便于教学和模拟。
教学目的: MIPS 是计算机体系结构课程中常用的教学架构。
历史背景: NachOS 基于已有的 MIPS 模拟器（MIPSSIM）开发。
广泛应用: MIPS 在嵌入式系统中有广泛的实际应用。

通过模拟 MIPS，NachOS 为学生提供了一个简化的硬件环境，帮助他们专注于操作系统的设计和实现。

Similar code found with 1 license type

CMoments: NachOS 的硬件环境是一个模拟的 MIPS R2000/R3000 处理器如何确认这一点？

GitHub Copilot: 可以通过以下几个方面确认 NachOS 的硬件环境是一个模拟的 MIPS R2000/R3000 处理器：

1. NachOS 源代码中的明确说明

在 NachOS 的代码注释中，明确提到 NachOS 模拟的是 MIPS R2000/R3000 处理器。例如，在 mipssim.cc 文件的开头注释中：

1 2	`// mipssim.cc -- simulate a MIPS R2/3000 processor // This code has been adapted from Ousterhout's MIPSSIM package.`

说明: 这里明确指出 NachOS 模拟的是 MIPS R2000/R3000 处理器，并且基于 Ousterhout 的 MIPSSIM 模拟器开发。

2. NachOS 模拟的指令集

NachOS 的 mipssim.cc 文件中实现了 MIPS 指令集的模拟，包括算术指令、逻辑指令、分支指令、加载/存储指令等。这些指令与 MIPS R2000/R3000 的指令集完全一致。

示例代码：

case OP_ADD:  // 模拟 MIPS 的 ADD 指令
    sum = registers[instr->rs] + registers[instr->rt];
    if (!((registers[instr->rs] ^ registers[instr->rt]) & SIGN_BIT) &&
        ((registers[instr->rs] ^ sum) & SIGN_BIT)) {
        RaiseException(OverflowException, 0);
        return;
    }
    registers[instr->rd] = sum;
    break;

说明: 这里的 OP_ADD 是 MIPS R2000/R3000 的指令，NachOS 模拟了其行为。

3. NachOS 的寄存器模型

NachOS 模拟了 MIPS R2000/R3000 的寄存器模型，包括：

通用寄存器（$0 到 $31）。
特殊寄存器（如 PC、Hi、Lo）。
程序计数器（PC）和异常处理相关寄存器（如 BadVAddrReg）。

示例代码：

int Machine::ReadRegister(int num) {
    ASSERT((num >= 0) && (num < NumTotalRegs));
    return registers[num];
}

说明: NachOS 中的寄存器数量（NumTotalRegs）与 MIPS R2000/R3000 的寄存器数量一致。

4. NachOS 的内存管理机制

NachOS 模拟了 MIPS 的虚拟内存机制，包括页表和 TLB（Translation Lookaside Buffer）。这些机制是 MIPS R2000/R3000 处理器的重要特性。

示例代码：

int Machine::Translate(int virtAddr, int* physAddr, int size, bool writing) {
    unsigned int vpn = (unsigned) virtAddr / PageSize;
    unsigned int offset = (unsigned) virtAddr % PageSize;
    TranslationEntry* entry = &pageTable[vpn];
    *physAddr = entry->physicalPage * PageSize + offset;
    return TRUE;
}

说明: NachOS 模拟了 MIPS 的地址转换机制，包括页表和物理地址计算。

5. NachOS 的异常处理机制

NachOS 模拟了 MIPS 的异常处理机制，包括：

系统调用异常（SyscallException）。
算术溢出异常（OverflowException）。
地址错误异常（AddressErrorException）。

示例代码：

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case OP_SYSCALL:
    RaiseException(SyscallException, 0);
    return;

说明: MIPS R2000/R3000 的 syscall 指令会触发系统调用异常，NachOS 模拟了这一行为。

6. NachOS 的指令解码逻辑

NachOS 的 Instruction::Decode 函数解析 MIPS 指令的字段（如操作码、寄存器编号、立即数等），其格式与 MIPS R2000/R3000 的指令格式一致。

示例代码：

void Instruction::Decode() {
    rs = (value >> 21) & 0x1f;  // 源寄存器
    rt = (value >> 16) & 0x1f;  // 目标寄存器
    rd = (value >> 11) & 0x1f;  // 结果寄存器
    extra = value & 0xffff;     // 偏移量或立即数
}

说明: MIPS 指令的固定长度为 32 位，NachOS 的解码逻辑完全符合 MIPS 的指令格式。

7. NachOS 的历史背景

NachOS 的开发者基于 Ousterhout 的 MIPSSIM 模拟器，而 MIPSSIM 是一个专门用于模拟 MIPS R2000/R3000 处理器的软件。这进一步确认了 NachOS 模拟的是 MIPS R2000/R3000。

总结

NachOS 模拟 MIPS R2000/R3000 处理器的证据包括：

源代码注释中明确说明。
模拟的指令集与 MIPS R2000/R3000 一致。
寄存器模型与 MIPS R2000/R3000 相同。
内存管理机制（页表和 TLB）符合 MIPS 的特性。
异常处理机制与 MIPS 的行为一致。
指令解码逻辑完全符合 MIPS 指令格式。
NachOS 基于 MIPSSIM 开发，而 MIPSSIM 专门模拟 MIPS R2000/R3000。

通过这些特性，可以确认 NachOS 的硬件环境是一个模拟的 MIPS R2000/R3000 处理器。

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Q: 可是我的硬件环境明明是Linux Ubuntu，怎么实现MIPS R2000/R3000处理器的？

你的硬件环境确实是 Linux Ubuntu，但 NachOS 并不直接依赖你的物理硬件来运行 MIPS 指令。NachOS 是通过 软件模拟 的方式，在你的 Linux 环境中模拟了一个 MIPS R2000/R3000 处理器。这种模拟是通过 NachOS 的代码实现的，而不是依赖你的实际硬件。

1. NachOS 如何模拟 MIPS 处理器

NachOS 使用软件模拟的方式，在 Linux 环境中实现了 MIPS R2000/R3000 的行为。以下是关键点：

(1) 指令集模拟

NachOS 的 mipssim.cc 文件实现了 MIPS 指令集的模拟。
每条 MIPS 指令（如 ADD、LW、SW 等）都被映射为 C++ 函数中的一个 case 分支。

示例代码：

case OP_ADD:
    sum = registers[instr->rs] + registers[instr->rt];
    if (!((registers[instr->rs] ^ registers[instr->rt]) & SIGN_BIT) &&
        ((registers[instr->rs] ^ sum) & SIGN_BIT)) {
        RaiseException(OverflowException, 0);
        return;
    }
    registers[instr->rd] = sum;
    break;

这里的 OP_ADD 是 MIPS 的加法指令，NachOS 使用 C++ 模拟了其行为。

(2) 寄存器模拟

NachOS 使用一个数组 registers 来模拟 MIPS 的 32 个通用寄存器和特殊寄存器（如 PC、Hi、Lo）。

示例代码：

int Machine::ReadRegister(int num) {
    ASSERT((num >= 0) && (num < NumTotalRegs));
    return registers[num];
}

通过 ReadRegister 和 WriteRegister 函数，NachOS 模拟了寄存器的读写操作。

(3) 内存管理模拟

NachOS 使用一个数组 mainMemory 来模拟物理内存。
NachOS 的 Translate 函数模拟了 MIPS 的地址转换机制（包括页表和 TLB）。

示例代码：

int Machine::Translate(int virtAddr, int* physAddr, int size, bool writing) {
    unsigned int vpn = (unsigned) virtAddr / PageSize;
    unsigned int offset = (unsigned) virtAddr % PageSize;
    TranslationEntry* entry = &pageTable[vpn];
    *physAddr = entry->physicalPage * PageSize + offset;
    return TRUE;
}

(4) 异常处理模拟

NachOS 模拟了 MIPS 的异常处理机制（如 SyscallException、OverflowException）。

示例代码：

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case OP_SYSCALL:
    RaiseException(SyscallException, 0);
    return;

2. 为什么 NachOS 可以在 Linux 上运行

NachOS 是一个用户态程序，它运行在 Linux 操作系统上，并通过 C++ 代码模拟了 MIPS 的硬件行为。以下是实现的关键点：

(1) NachOS 是一个用户态程序

NachOS 本身是一个用 C++ 编写的程序，编译后生成一个可执行文件（如 nachos）。
这个可执行文件运行在 Linux 用户态，使用 Linux 提供的系统调用（如文件操作、内存分配等）。

(2) MIPS 的行为通过软件模拟

NachOS 并不依赖你的物理硬件是否支持 MIPS 指令集，而是通过 C++ 代码模拟了 MIPS 的行为。
例如，MIPS 的指令解码、执行、寄存器操作等，全部由 NachOS 的代码实现。

(3) 使用交叉编译器生成 MIPS 二进制

NachOS 的用户程序（如 add.c）需要编译为 MIPS 二进制格式（COFF 文件）。
在 Linux 上，使用交叉编译器（如 mipsel-linux-gcc）将用户程序编译为 MIPS 指令集的二进制文件。
NachOS 加载这些 MIPS 二进制文件，并通过模拟器执行其中的指令。

3. NachOS 的运行流程

编译 NachOS 内核:
- 使用 Linux 上的本地编译器（如 g++）编译 NachOS 的 C++ 源代码，生成 nachos 可执行文件。
编译用户程序:
- 使用交叉编译器（如 mipsel-linux-gcc）将用户程序（如 add.c）编译为 MIPS 二进制格式（如

Theory > 操作系统

操作系统-NachOS

https://43.242.201.154/2025/04/23/Operating-System1/

Author

Dong

Posted on

April 23, 2025

Licensed under

操作系统-系统调用 Next