实验八：扩展实验¶

海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。
——《古今贤文》

实验任务与要求¶

首先，祝贺你已经顺利完成了前面的实验，你已经拥有了一个基本的操作系统内核，它可以在 QEMU 中运行，并且可以通过串口输出进行交互。

它有自己的进程管理机制，可以从磁盘中加载用户程序进行执行；它有自己的同步互斥机制，可以让多个线程安全地访问共享资源；它有自己的内存管理机制，可以在内核态和用户态之间进行内存的分配和释放。

在这个实验中，你需要在这个基础上，自主实现一些更加有趣的功能，例如图形输出、文件系统、内存分配、块设备缓存层等。

请从下列任务中，选择一到两个目标进行实现：

串口输出只是最基本的交互方式，尝试在 bootloader 中，利用 get_handle_for_protocol::<GraphicsOutput> 获取到 VGA 显示的模式、分辨率、缓冲区地址等信息。

之后通过利用 embedded-graphics 等库，实现一个简单的图形输出驱动，赋予操作系统绘制图形的能力，之后实现一个简单的 Shell 显示，并激活键盘输入的驱动，通过和串口启动共享缓冲区的方式，响应键盘输入。

利用键盘输入中断，为 QEMU 的 GUI 界面实现输入输出。
尝试将 Shell 部分限制在屏幕的下半部分，并在上半部分实现一些图像的绘制。作为一个例子，你可以利用 sleep 等方式，实现一个不断绘制转动的钟表的进程，并让它作为一个后台进程运行。

根据现有的其他 OS 实验中的文件系统设计、或参考现有的文件系统设计，结合你学过的算法、组织数据的方式，实现一个简单的文件系统的驱动。

可以是目录结构文件系统（例如参考 FAT32），可以是日志文件系统（例如参考 ext4、NTFS）。实现之后利用帧分配器在操作系统初始化分配一段内存空间，将其作为块设备，使用你的文件系统对其进行格式化、挂载、读写等操作。为了更好的实现你可能需要适当增大启动 OS 的内存量。

在上次实验实现了堆内存的分配和释放后，用户态有了自己的能力去管理自己的页面，但是其实际的动态内存分配还是依赖于内核提供的服务。

在这个实验目标中，你可以尝试实现一些内存管理算法，例如 Buddy 算法、Slab 算法等，将其作为内存分配器，为用户态提供更加灵活的内存分配服务。

不过，在这一目标中，你大概率需要一个链表，你可以找一些现成的实现，或者选择完全的自己实现。

将你的内存分配器作为 static 变量在线程间共享使用有助于避免线程导致的内存错误。

在 storage 包中，基于目前已有的实现，实现一个块设备的缓存层。

这里给出一个缓存设备结构体的设计参考：

pub struct CachedDevice<B, C>
where
    B: BlockTrait,
    C: CacheManager<B>,
{
    cache: C,
    device: Arc<dyn BlockDevice<B>>,
}

其中，CacheManager trait 定义缓存层的缓存管理器，在预期的实现中，你并不需要在这里实现具体的缓存算法和数据结构，而将其留在 kernel 中实现。

在之前的实现中，进程只会在同一个核心上被调度执行，而在实际的多核系统中，多个核心可以并行地执行多个进程。

在这个目标中，你需要实现一个简单的多核调度器，使得内核能够在多个核心上调度多个进程。

实现不要求性能，结合能够找到的资料和相关理论知识，能够验证多核运行就是成功。