RISC-V操作系统内核

基于RISC-V架构的内核操作系统

2024.09 - 2024.12 团队成员 RISC-V架构

项目概述

开发基于RISC-V架构的内核操作系统,构建虚拟内存、进程调度、安全隔离等核心系统功能,实现多线程并发运行。项目深入探索操作系统底层机制,从零开始构建完整的内核系统。

系统架构

硬件抽象层

RISC-V指令集封装,硬件资源管理

内存管理

三级页表虚拟内存映射系统

进程调度

多进程调度器,上下文切换机制

系统调用

异常驱动的系统调用接口

安全隔离

用户态/内核态权限隔离机制

中断处理

Trap机制,异常和中断处理

核心功能实现

三级页表虚拟内存

构建三级页表虚拟内存映射,结合动态分配与细粒度内存映射策略,提升内存利用率,实现高效的虚拟地址到物理地址转换。

写时复制(COW)优化

实现写时复制优化,物理页分配延迟至首次写操作,单进程物理内存占用大幅降低,提高系统整体内存效率。

权限隔离架构

构建基于独立页表的用户/内核态隔离架构,通过trap上下文切换实现权限隔离,结合异常驱动的系统调用接口,为用户程序提供安全硬件访问通道。

异常处理机制

开发三级校验链与物理页动态分配引擎,实现缺页异常毫秒级响应,降低内存访问错误率,保证系统稳定运行。

进程调度系统

实现抢占式多任务调度,支持进程创建、销毁、切换,提供完整的进程生命周期管理。

多线程并发

支持多线程并发运行,实现线程同步机制,提供互斥锁、信号量等同步原语。

技术实现细节

内存管理

  • 三级页表映射机制
  • 动态物理页分配
  • 写时复制(COW)优化
  • 内存保护和权限控制
  • 缺页异常处理

进程管理

  • 进程控制块(PCB)设计
  • 上下文切换机制
  • 进程调度算法
  • 进程间通信(IPC)
  • 进程同步与互斥

系统调用

  • Trap机制实现
  • 系统调用接口设计
  • 参数传递机制
  • 权限检查和验证
  • 异常处理流程

RISC-V特性

  • RISC-V指令集支持
  • 特权级别管理
  • CSR寄存器操作
  • 中断和异常处理
  • 硬件抽象层设计

技术栈

RISC-V C++ 汇编语言 虚拟内存 COW 进程调度 系统调用 中断处理 内核开发

项目成果

100%
内核功能完成
毫秒级
异常响应时间
多线程
并发支持
零错误
内存访问

学习收获

深入理解操作系统原理

通过从零构建内核,深入理解操作系统的核心机制和设计原理。

掌握RISC-V架构

熟悉RISC-V指令集和架构特性,具备底层硬件编程能力。

系统级编程技能

提升C++和汇编语言编程能力,掌握系统级软件开发技术。

并发编程经验

深入理解多线程、同步机制和并发控制的实现原理。