01 - Operating Systems in the Age of AI

01 - AI 时代的操作系统

教材

Operating Systems...

实验

OS Lab

助教

Kimi、GPT、豆包...

1. 导言

把时间还给大家！！！

课程主页：https://jyywiki.cn/OS/2023/index.html

1.1. 今年不在开设操作系统内核的内容和实验

想要从事操作系统内核的可以参考 MIT xv6

1.2. Unit Test

单元测试框架

只需要 include 头文件，就可以对上面的代码进行测试。

2. Why 为什么要学操作系统？

DeepSeek

果然南大开学也是三板斧...

+黑神话、哪吒...

2.1. 现在在互联网可以学到任何想学的东西

无论专业出身...

通过视频媒体...通过AI对话...等等

2.2. 互联网开源生态

公开代码

2.3. 这是个好老师...

计算机世界...随便一个操作系统都是几千万行的代码...到底是怎么搭起来的？？？

AI 是一个好工具...

你只需要一个梦想，然后利用 AI 迅速追赶哪些读了本硕博十年书的所谓专家...

3. What 什么是操作系统？

Operating Systems: A body of software, in fact, that is responseible offr making it easy to run programs.

3.1. 操作系统是来帮助我们的！不是来折磨我们的。

我们不需要记住精准的概念定义
- 帮助我们更好开发程序
操作系统历史
- 硬件 - 数字逻辑
- 软件 - 本课程
- 操作系统

3.2. 复习数字逻辑

时钟是不可能缺少的，在任何系统都是...
导线
逻辑门

任何的语言：Cpp代码

会进行指令序列

变成二进制文件

a.out文件交给底层的处理器执行...

3.3. 操作系统

狭义：

操作系统：硬件和软件的中间层

4. 操作系统的历史

4.1. ENIAC 1946.2.14

图灵机的数字电路实现

4.2. 1940s 的计算机硬件

逻辑门：真空电子管

存储器：延迟线（delay lines）

输入/输出：打孔纸带/指示灯

还没有操作系统

连编程语言都没有

流程图
机制代码
戳纸带

能把程序跑起来就很好

4.3. 1950s - 1960s 的计算机硬件

硬件改进了！

晶体管
磁芯内存
丰富的 I/O 设备

I/O 设备的速度严重低于处理器的速度...中断机制

4.4. 1950s - 1960s 的计算机软件

一张卡片 80行就是一行代码

4.5. 1950s - 1960s 的操作系统

库函数 + 管理程序排队运行的调度代码

算力成为服务，操作系统概念形成

多用户轮流共享计算机，operator 负责操作程序切换
Operating systems（操作系统/作业系统）
因为古早时期需要一个专门的 operator 来进行程序调控...

操作系统要管理好每个线程

线程想尽可能多占用内存...

4.6. 1960s - 1970s 的计算机硬件

更快的处理器
更丰富的 I/O设备
更高级的语言和编译器...

数字电路模拟器：时钟、导线、NAND、寄存器是数字系统的基本组成部分：数字系统在时钟驱动下离散地更新下一周期的寄存器状态。

这一小段程序模拟数字电路的执行过程，它也是 nvboard 的基本原理。这个例子还展示了 UNIX Philosophy 中命令行工具的协作原理——C 程序 logisim 输出类似 A=0; B=1; ... 的数码管状态，而另一个程序负责解析这些输出并真实地 “画” 出来。

root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/logisim# ./logisim
A = 1; B = 1; C = 1; D = 1; E = 1; F = 1; G = 0;
A = 0; B = 1; C = 1; D = 0; E = 0; F = 0; G = 0;
A = 1; B = 1; C = 0; D = 1; E = 1; F = 0; G = 1;
A = 1; B = 1; C = 1; D = 1; E = 1; F = 1; G = 0;
A = 0; B = 1; C = 1; D = 0; E = 0; F = 0; G = 0;
A = 1; B = 1; C = 0; D = 1; E = 1; F = 0; G = 1;
A = 1; B = 1; C = 1; D = 1; E = 1; F = 1; G = 0;
A = 0; B = 1; C = 1; D = 0; E = 0; F = 0; G = 0;
A = 1; B = 1; C = 0; D = 1; E = 1; F = 0; G = 1;
A = 1; B = 1; C = 1; D = 1; E = 1; F = 1; G = 0;
A = 0; B = 1; C = 1; D = 0; E = 0; F = 0; G = 0;
A = 1; B = 1; C = 0; D = 1; E = 1; F = 0; G = 1;
A = 1; B = 1; C = 1; D = 1; E = 1; F = 1; G = 0;

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4.7. 1960s - 1970s 的操作系统

分时间片运行

能载入多个程序

操作系统进行调度、分片运行...

虚拟内存：操作系统自然增加进程管理的API

...

RISC-V 处理器模拟器：C 语言实现的 single-header RISC-V32IMA 系统模拟器 (项目源自[mini-rv32ima](https://github.com/cnlohr/mini-rv32ima))。因为有 M-Mode，这个模拟器可以运行几乎 “任意复杂” 的程序——甚至是没有 MMU 的 Linux。我们稍稍修改了这份代码，更好地体现《操作系统》课程的教学目标。

root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/mini-rv32ima# ./mini-rv32ima testcase.bin
[mini-rv32ima] load image file: testcase.bin
[mini-rv32ima] alloc ram size = 0x4000000
[mini-rv32ima] mainargs:
initially:
 PC:00000000 [03174291]
  Z:00000000  ra:00000000  sp:04000000  gp:00000000
 tp:00000000  t0:00000000  t1:00000000  t2:00000000
 s0:00000000  s1:00000000  a0:00000000  a1:04000000
 a2:00000000  a3:00000000  a4:00000000  a5:00000000
 a6:00000000  a7:00000000  s2:00000000  s3:00000000
 s4:00000000  s5:00000000  s6:00000000  s7:00000000
 s8:00000000  s9:00000000 s10:00000000 s11:00000000
 t3:00000000  t4:00000000  t5:00000000  t6:00000000
CYCLEL:00000000 CYCLEH:00000000 EXTRAFLAGS:00000000
stack (sp:04000000):
0x4000000

finally:
 PC:00000000 [03174291]
  Z:00000000  ra:00000000  sp:04000000  gp:00000000
 tp:00000000  t0:00000000  t1:00000000  t2:00000000
 s0:00000000  s1:00000000  a0:00000000  a1:04000000
 a2:00000000  a3:00000000  a4:00000000  a5:00000000
 a6:00000000  a7:00000000  s2:00000000  s3:00000000
 s4:00000000  s5:00000000  s6:00000000  s7:00000000
 s8:00000000  s9:00000000 s10:00000000 s11:00000000
 t3:00000000  t4:00000000  t5:00000000  t6:00000000
CYCLEL:00000001 CYCLEH:00000000 EXTRAFLAGS:00000003
stack (sp:04000000):
0x4000000

内部代码很简单？

struct CPUState {
    // Processor internal state
    uint32_t regs[32], csrs[CSR_COUNT];

    // Memory state
    uint8_t *mem;
    uint32_t mem_offset, mem_size;
};

只有几个状态和变量

4.8. 1970s 的操作系统

Unix 诞生奠定了今天计算机世界的基础

信号、管道、grep
BSD socket
Product

Prompt: 《操作系统》需要解压缩 “toybox-0.1.0.tar.bz2”，但是我是刚选课的新手，应该如何做？

要在《操作系统》课程中解压缩 toybox-0.1.0.tar.bz2 文件，可以按照以下步骤操作：

打开终端：在Linux或macOS系统中，打开终端；在Windows系统中，可以使用命令提示符或PowerShell。
导航到文件目录：使用 cd 命令进入存放 toybox-0.1.0.tar.bz2 的目录。
解压缩文件：使用 tar 命令解压缩 .tar.bz2 文件。命令如下：

tar -xvjf toybox-0.1.0.tar.bz2

其中，-x 表示解压缩，-v 显示解压过程，-j 处理 .bz2 文件，-f 指定文件名。

查看解压结果：解压后，会在当前目录生成一个 toybox-0.1.0 的文件夹，里面包含解压后的文件。
完成以上步骤后，你就可以使用解压后的文件了。

root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar# ls
README.md  toybox-0.1.0.tar.bz2
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar# cat README.md
**toybox-0.1.0**：这是早前版本的 toybox，包含一些 “最小” 系统所需的工具。现在，Android 内置了 toybox。当你打开手机的 “开发者模式” 后 ，通过 adb shell 连接到手机，其中的命令行工具就是 toybox。
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar# tar -xjf toybox-0.1.0.tar.bz2
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar# ls
README.md  toybox-0.1.0  toybox-0.1.0.tar.bz2
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar# cd toybox-0.1.0
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar/toybox-0.1.0# ls
Config.in  LICENSE  Makefile  configure  generated  kconfig  lib  main.c  scripts  toynet.h  toys  toys.h  www
root@LAPTOP-GT06V0GS:/mnt/d/CSLab/osCourse/lec1/tar/toybox-0.1.0#

4.9. 这门课

不关心操作系统如何实现，而是聚焦应用...

5. How 怎样学操作系统

5.1. 忘掉 GPA

试着去成为一个有，梦想的 CS 人。

5.2. 知道“编码”是在手中的利剑

在大预言模型的帮助下自己动手解决问题

什么都不怕：vim tmux grep binutils 前端...

享受创造的乐趣

出bug时：机器永远是对的、我肯定能调出来...
我这么做显得专业嘛？合适吗？是一个合格的开发者吗？还能更好吗？

5.3. Academic Integrity 坚守学术诚信

Lab 不应该使用 AI？

日常学习鼓励使用大模型

解释概念、命令行工具、API等
获取方法指导、什么工具？如何调试？有何技巧

MiniLab

禁止将一段实验描述输入到大语言模型...

但是可以使用大模型帮你阅读API文档，给你一些简单的提示（仅限单个API）

AI的好处

提醒你进行错误处理...在实验中往往不注意...但是实际上后果很严重...

5.4. 成为 Power User

成为好工具的使用者！！！

所以呢

5.5. 从现在开始写代码

！！！

保持好奇心

命令行 + 浏览器就是全世界！

不需要讲语言特性、设计模式……编程中自然而然会有体会

开始你的《操作系统》课旅程！

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