MIPS

本文是北航《操作系统》课程预习教程的一部分。此版本由本人编写。 2024 年课程实验环境由 GXemul 更换为 QEMU，为了方便同学适应新的实验环境，在预习教程中特地新增《GDB：程序的解剖术》和《QEMU 模拟器介绍》两篇文章。 操作系统是直接运行在计算机硬件之上，向下管理硬件资源，对上为软件提供统一服务的一类程序。在本课程的实验中，为了开发和运行我们的 MOS 操作系统，我们必须具备一套支持操作系统运行的硬件系统，其中包括处理器、内存、外部设备（如磁盘）等多个组成部分。 然而，为每位同学都准备一套硬件设备是不切实际的。相较之下，使用模拟器则是一个更好的选择。模拟器能够模拟计算机硬件的行为和特性，使开发者可以在模拟的环境中运行和测试软件，而无需实际的物理硬件设备。 本实验所采用的模拟器为 QEMU，接下来我们就会对这一模拟器进行介绍。 什么是 QEMU QEMU（Quick Emulator）是一个通用的开源的机器仿真和虚拟化工具，由传奇程序员法布里斯·贝拉（Fabrice Bellard）编写。QEMU 能够提供跨体系结构的硬件模拟，支持 x86、ARM、MIPS、RISC-V 等多种架构。 法布里斯·贝拉 是 QEMU、FFmpeg 等著名项目的创始人。他的工作涉足操作系统（QEMU）、编译器（Tiny C Compiler）、图形学（TinyGL）、通信技术（Amarisoft）、数学（Bellard’s formula）、音视频（FFmpeg）、人工智能（NNCP）等众多领域，并都做出过许多突出的贡献。是一位近乎全才的人物。 QEMU 拥有多种不同的使用方式，而在实验中我们所使用的主要是 QEMU 的系统仿真模式。在此模式中，QEMU 能够模拟处理器的执行过程以及各种硬件设备的行为，从而提供包括处理器、内存和外部设备在内的整机虚拟模型。在此模型之上，我们能够运行一个完整的操作系统，而不需要任何额外硬件的支持。 QEMU 提供了高度定制化的硬件模拟能力，使得搭建指定硬件平台的运行环境十分容易。并且 QEMU 也提供了使用 GDB 进行调试的原生支持，使程序的开发更加便捷。正因如此，QEMU 成为了底层开发领域十分重要的工具。 QEMU 的工作原理 这部分并不是本课程要求掌握的内容。各位可以按兴趣阅读。 在正式谈论 QEMU 的工作原理前，我们需要先了解一下虚拟化（Virtualization）技术。这里的虚拟化特指硬件虚拟化，是指隐藏真实的物理硬件，而由软件模拟出特定的硬件环境，在此环境中运行的操作系统就好像运行在实际的物理机器上一样。在此过程中，通过模拟产生的硬件环境称为虚拟机（Virtual Machine），实现虚拟化的程序称为虚拟机管理程序（Hypervisor）。本质上，虚拟机管理程序是一种中间件。 通过虚拟化技术，我们可以屏蔽底层硬件的差别，从而在单台物理设备上运行许多不同的操作系统环境，充分利用硬件资源。虚拟化产生的硬件环境也很容易在不同设备间迁移，这也利于系统的管理和维护。 根据虚拟化实现方式的不同，虚拟机管理程序分为第一类虚拟机管理程序（Type 1 Hypervisor）和第二类虚拟机管理程序（Type 2 Hypervisor）。 第一类虚拟机管理程序直接运行在硬件之上，如下图 (a) 所示。此时虚拟机管理程序实际上占据了类似操作系统的位置，整个物理机被其分割为多个虚拟机。 而第二类虚拟机管理程序则运行在操作系统之上，是操作系统中的应用程序，如下图 (b) 所示。其中称运行该虚拟机管理程序的操作系统所处的机器为宿主机（Host），而管理程序中的虚拟机则为客户机（Guest）。由于第二类虚拟机管理程序采取了软件模拟处理器、解释执行机器码的方式，所以也被称为模拟器（Simulator）。 第一类虚拟机管理程序主要在企业数据中心或服务器中使用。常见的产品包括 KVM、VMWare ESXi 等等。而第二类虚拟机管理程序则通常在个人计算机上使用，以便能在运行虚拟机的同时执行其他进程。常见的产品包括 VMware Workstation、Oracle VirtualBox 等等，其中也包括 QEMU。 图片来自 Andrew S....