xv6-k210 操作系统改进项目

这是一个基于 xv6 的 RISC-V 操作系统改进项目。原来的项目是支持 K210 开发板的（来自 HUST-OS/xv6-k210）。原项目文档统一移入了doc文档，新文档统一放在docs文件夹下

项目概述

xv6 是 MIT 开发的教学用操作系统，代码简洁但功能基础。我们在此基础上进行了深度改进，完成了 14项功能改进。这些改进相互关联、相互支撑，比如内存管理的 COW 和 Lazy Allocation 为 mmap 提供基础，进程调度器与信息统计功能紧密配合，整个系统能够作为有机整体运行。

核心改进亮点

• 文件系统: 多级缓存减少了磁盘 IO开销，文件名排重和时间戳修复提升用户体验
• 内存管理: COW + Lazy Allocation + mmap 协同工作，大幅提升内存效率和 fork 性能
• 进程管理: 优先级调度和 MLFQ 实现静态到动态演进，ps/top 提供完善监控
• 进程间通信: 信号机制和共享内存提供标准 IPC 接口

项目结构

├── kernel/        # 内核代码
├── xv6-user/      # 用户空间程序
├── docs/          # 改进文档文件夹（详见下方）
├── bootloader/    # 引导加载程序
├── Makefile       # 构建脚本
└── fs.img         # 文件系统镜像

详细改进文档

所有改进的详细文档位于 docs/ 文件夹，包括：

文档	内容
改进总结.md	改进工作完整总结
FAT表缓存改进.md	FAT 表缓存设计与实现
目录项缓存优化.md	目录项 LRU 优化
文件名排重机制.md	自动生成不重复文件名
时间戳.md	时间戳问题修复
cow.md	写时复制机制
内存管理-惰性分配.md	惰性分配实现
mmap.md	内存映射系统调用
进程管理-优先级调度.md	优先级调度算法
进程管理-多级反馈队列.md	MLFQ 调度算法
进程信息与统计.md	ps/top 命令实现
进程间通信-共享存储器.md	共享内存 IPC
信号机制-第一阶段.md	信号注册机制
信号机制-第二阶段.md	信号处理实现
cachetest.md	缓存性能测试

改进详情

文件系统

改进项	说明
FAT 表缓存	32 扇区缓存，LRU 淘汰策略，write-through 确保一致性，预期减少 50%+ 磁盘 IO
目录项缓存优化	修复 LRU 命命中后移动到链表头部的操作，缓存命中率提升至 70%+
文件名排重	自动生成 file_1、file_2 等后缀，最多支持 9999 个同名文件
长文件名排重	处理长文件名转短文件名冲突，生成 ~1、~2 后缀确保兼容性
时间戳修复	修正 UTC 时间显示（晚 8 小时）和时钟频率假设问题

内存管理

改进项	说明
Copy-on-Write	fork 时父子进程共享物理页，写入时才拷贝。引用计数管理，kalloc.c 维护 ref_count
Lazy Allocation	sbrk 只更新记账，缺页时才分配物理页。支持稀疏地址空间，fork 更快
mmap 系统调用	引入 VMA 结构管理多个内存区域，支持独立权限。缺页处理：COW > VMA > sbrk

进程管理

改进项	说明
优先级调度	0-100 优先级（默认 50），两阶段扫描 + 时钟中断抢占，fork 继承优先级
MLFQ 调度	3 级队列（时间片 1/2/4），新进程从高队列开始，短任务快速完成
进程信息统计	sys_getprocs() / sys_getrusage() 系统调用，ps / top 命令实时监控

进程间通信

改进项	说明
共享内存 IPC	System V 风格接口（shmget/shmat/shmdt/shmctl），最多 16 个段，spinlock 保护
信号机制	POSIX 标准信号，signal() 注册处理，SIGKILL/SIGSTOP 不可捕获，支持用户处理函数

核心创新点

VMA 管理与双层缺页处理

VMA 是首次在 xv6 中引入的概念，为 mmap 提供基础架构。双层缺页处理（COW > VMA > sbrk lazy allocation）实现了不同内存管理方式的协同。

进程内核页表与引用计数

每进程专属内核页表确保内核访问用户空间时具备一致映射关系。引用计数是 COW 和共享内存的基础，物理页释放取决于引用计数归零。

MLFQ 时间片管理

职责分离设计：handle_time_slice 负责递减和降级，调度器负责重置。新进程 time_slice 初始化为 0，避免刚创建就降级。

测试程序

测试程序	测试内容
cachetest	缓存性能测试，顺序/交替读取验证效果
cowtest	COW 基本功能和多页面场景
lazytest	惰性分配功能
mmaptest	内存映射读写、权限、COW
priotest	优先级调度算法
mlfqtest	MLFQ 调度算法
shmtest	共享内存 IPC
sigtest1/sigtest2	信号机制

团队分工

成员	负责模块
余炅	进程调度、进程间通信
李旺磊	文件系统功能扩展、时间戳
汪博	内存管理优化

运行项目

项目在 QEMU 上运行。在 Windows 上使用 WSL 安装 Ubuntu，下载 riscv64-linux-gnu 和 qemu 工具后运行：

环境准备

1. 安装 WSL Ubuntu

wsl --install -d Ubuntu

2. 安装交叉编译工具和 QEMU

sudo apt update
sudo apt install -y gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu qemu-system-riscv64 qemu-user

运行系统

make clean
make fs         # 生成文件系统镜像（首次或需要更新时）
make run       # 启动 QEMU

或直接运行脚本：

./run.bash

按 Ctrl+A 然后 X 退出 QEMU。