RVKernel 动手实战实验¶

这四个实验使用 RISC-V 32 教学内核 RVKernel，在 QEMU 中观察启动、页表、用户态抢占、管道通信和多核调度。代码基于 Operating System in 1,000 Lines 扩展。

flowchart TD
    subgraph Labs["RVKernel 实验"]
        L1["Lab 01: 启动、Trap 现场保护与 Sv32 虚拟内存页表"]
        L2["Lab 02: SBI 硬件定时器、Tick 维护与用户态抢占调度"]
        L3["Lab 03: 环形缓冲、阻塞等待与防丢失唤醒的具名管道 IPC"]
        L4["Lab 04: 1~4 核 SMP 多核启动、自旋锁与核间 IPI 协同"]
    end

    L1 --> L2 --> L3 --> L4

查看 RVKernel 项目介绍与实现限制。实验用于理解内核机制，尚无硬实时保证。

实验代码来源与环境准备¶

RVKernel 基于开源教学项目 Operating System in 1,000 Lines（由 Seiya Nuta 编写）的代码，增加了四项功能：PLIC 设备中断、SBI TIME 用户态抢占、具名管道 IPC、以及 1~4 核 SMP 与 IPI 协同。

公开源码仓库：GitHub - YvainZhang/1000-lines-os-practice
本知识库自包含目录：RTOS/Labs/rvkernel/（内含完整可编译运行源码，无需外部克隆）

环境依赖（macOS / Linux）¶

# macOS 环境一键安装 LLVM 工具链与 QEMU 仿真器
brew install llvm qemu

# Ubuntu / Debian 环境
# sudo apt-get install clang llvm lld qemu-system-misc

两种执行与验证方式¶

方式 A：直接运行本知识库内置的自包含工程（推荐）¶

# 进入知识库内置的实验目录
cd RTOS/Labs/rvkernel

# 编译并在 QEMU 中启动 (默认双核 SMP)
bash run.sh

# 可选运行指定核数 (1~4 核)
NCPU=4 bash run.sh

方式 B：从公开 GitHub 仓库拉取最新源码¶

git clone https://github.com/YvainZhang/1000-lines-os-practice.git
cd 1000-lines-os-practice
bash run.sh

自动化回归与自测验证¶

进入 Shell 命令行后，可直接输入：

$ help
$ irqstat
$ selftest

自测将依次验证：时钟中断 Tick 前进、PLIC 磁盘完成中断、文件系统容量边界与防篡改、3 KiB 具名管道连续收发与 EOF、同核抢占以及跨核 Affinity。全部通过后终端将输出 SELFTEST PASS。

亦可在宿主机终端通过纯 Python 脚本执行回归测试：

python3 scripts/smoke.py --cpus 2

实验目录清单¶

Lab 01: 启动、Trap 现场保护与 Sv32 虚拟内存页表
RISC-V OpenSBI 固件跳转与内核入口
硬件 sscratch 寄存器换栈与 144 字节 trap_frame 汇编现场保存
Sv32 二级分页硬件机制、物理页分配与用户态特权级隔离
Lab 02: SBI 硬件定时器、Tick 维护与用户态抢占调度
RISC-V SBI TIME 扩展与 10ms 周期时钟节拍
时钟中断（Timer IRQ）分发与 proc->state 就绪流转
内核 switch_context 协作式与用户态强制抢占的实现机理
Lab 03: 环形缓冲、阻塞等待与防丢失唤醒的具名管道 IPC
8 个 256 字节定长环形缓冲具名管道
sleep 与 wakeup 的原子条件等待状态机
解决并发死锁与多消费者防惊群设计
Lab 04: 1~4 核 SMP 多核启动、自旋锁与核间 IPI 协同
引导核（Boot Hart）与从核（Secondary Harts）的 SBI HSM 唤醒流程
每核独立运行栈与每 PCB 粒度自旋锁（Spinlock）
核间中断（IPI）跨核唤醒阻塞线程与负载流转