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4.实验环境搭建指南（自行部署版）

为什么推荐自行部署？

自行搭建环境不仅能加深对 Linux、工具链的理解，更能培养问题排查能力—— 这些都是操作系统学习的核心技能。动手试试，收获会远超预期 :)

部署实验平台所需工具

对于本课程的实验平台搭建，我们需要用到几个工具：

  • WSL2

  如果你的电脑安装的是Windows 10或Windows 11，推荐使用WSL2（Windows Subsystem for Linux 2）来搭建Linux环境。WSL2不仅能够在Windows系统中高效运行Linux内核，而且相比于WSL1具有更好的性能和完全的Linux系统调用兼容性。WSL2支持运行主流的Linux发行版（如Ubuntu、Debian等），并能够直接访问Windows的文件系统，可以通过Windows自带的文件资源管理器，像操作Windows的文件那样操作WSL上的文件，并且可以在WSL和Windows之间直接进行文件拖拽。通过WSL2可以避免使用虚拟机，占用的系统资源更少，操作也更加便捷。

  如何安装WSL并使用WSL进行开发？请参阅官方文档WSL文档。

  • VirtualBox虚拟机

  如果你的电脑装的是Windows系统，那么你也可以选择能运行Linux系统的虚拟机。VirtualBox是一款开源虚拟机软件，相对VMWare等其他虚拟机来说，速度稍慢，灵活性较差，但免费！

  • Linux发行版

  Linux发行版是由Linux内核、GNU工具、附加软件和软件包管理器组成的操作系统。所谓“发行”，是由某些机构“发行”了Linux内核以及所有必要的软件及实用程序，使其可以作为一个操作系统使用。主流的Linux发行版有Ubuntu、Debian、Fedora、Centos等，国产Linux发行版有openEuler、Deepin等。

  • RISC-V工具链

  包括一系列交叉编译的工具，如gcc、binutils、glibc等，用于把源码编译成机器码。

  • QEMU模拟器

  用于在X86架构的电脑上模拟RISC-V架构的CPU。在实验中，我们将通过QEMU模拟器观察xv6的运行过程。QEMU通过模拟取指、译码、执行等步骤来仿真RISC-V处理器的操作。回想我们在《计算机设计与实践》的CPU实验，是不是有似曾相识的感觉: )

注意事项

  请确保你的计算机已经安装有ubuntu、Centos或Debian等其他Linux发行版。如果你使用的是Windows系统，推荐利用WSL2来安装并运行Linux环境，或者通过虚拟机来安装Linux。下面的XV6环境配置安装指导以Ubuntu系统为例。若你计划安装其他Linux系统，请参考详细的XV6环境安装指南: https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2020/tools.html。

1 手动部署实验环境

1.1 安装基础依赖与工具链

  1. 下载工具包

    访问链接下载 binutils-gdb.zip： https://file.cs-lab.top/s/xcAKpIRmnrFUOPe

    并将binutils-gdb.zip上传到Linux环境中。

  2. 更新软件源，确保后续安装的工具为最新版本

    sudo apt-get update

  3. 安装基础开发工具

    包含git、编译工具、调试工具、QEMU模拟器、RISC-V交叉编译链

    sudo apt-get install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu

  4. 安装编译binutils-gdb依赖包：

    sudo apt-get install autoconf automake autotools-dev curl python3 python3-pip libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev ninja-build git cmake libglib2.0-dev libslirp-dev python3-dev

  5. 解压工具包并进入目录（*通配符匹配带哈希值的长目录名）

    # 以工具包在~/Downloads为例，若路径不同请替换
unzip ~/Downloads/binutils-gdb.zip -d ~/  
cd ~/binutils-gdb*

  6. 创建并进入编译目录（避免污染源码）：

    mkdir build && cd build

  7. 配置编译选项:

    • --target：指定目标架构为RISC-V 64位
    • --prefix：指定安装路径为/usr/local
    • --with-python：关联Python3支持
    ../configure --target=riscv64-unknown-elf --prefix=/usr/local --with-python=/usr/bin/python3

  8. 编译与安装（耗时约 5-10 分钟，-j4表示 4 核并行编译）： 

    make -j4 
sudo make install

  9. 安装 RISC-V 架构交叉编译 GCC

    sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-riscv64-unknown-elf

1.2 运行XV6实验

  1. 进入用户主目录

    cd ~

  2. 克隆实验仓库

    git clone https://gitee.com/ftutorials/xv6-oslab24-hitsz.git

  3. 进入实验目录并切换分支：

    cd xv6-oslab24-hitsz
git checkout util

  4. 输入make qemu启动XV6:

    make qemu

  5. 启动成功标志

    终端输出最后显示以下内容，即表示 XV6 启动成功：

    init: starting sh
$

  6. 退出 XV6 方法

    务必按以下步骤退出，避免进程残留：

    • 先按 Ctrl + a
    • 松开后立即按 x

2. Docker 容器化部署（快速上手方案）

  Docker 通过容器打包完整环境，无需手动配置依赖，适合追求效率或环境配置遇到困难的学生。

  Docker 是一个开源的平台，旨在简化应用程序的开发、测试和部署。它使用容器化技术，将应用程序及其依赖环境打包到一个标准化的单元（称为容器）中，从而确保应用程序可以在任何地方一致运行，无论是开发环境、测试环境还是生产环境。

  如果想更深入学习Docker，可以看Docker——从入门到实践。

2.1 Docker的关键概念

  • 镜像 (Image) ：镜像是Docker容器的只读模板。它包含应用程序所需的所有文件、依赖库、配置等。开发者可以基于现有的镜像创建新的镜像。
  • 容器 (Container) ：容器是从镜像创建的运行实例。每个容器都是独立的，彼此之间隔离，可以拥有自己的文件系统、进程、网络等。容器轻量且启动迅速。
  • Dockerfile ：Dockerfile 是一个包含一系列指令的文本文件，定义了如何构建一个镜像。通过Dockerfile，开发者可以描述应用程序及其依赖项的构建步骤。
  • Docker Hub ：这是一个在线仓库，用于存储和共享Docker镜像。开发者可以从Docker Hub下载公共镜像，也可以上传自己创建的镜像。

2.2 Docker的优点

  • 跨平台兼容 ：容器中的应用程序不依赖于主机的操作系统环境，可以跨平台运行。
  • 高效资源利用 ：容器比虚拟机更轻量，启动速度更快，能够高效利用系统资源。
  • 易于管理和部署 ：Docker可以将应用程序及其依赖打包在一起，简化了部署过程，减少了环境配置问题。

2.3 通过Docker启动xv6

  以下是一个基本的步骤指南，帮助你在Linux环境下使用Docker来构建和运行xv6的Docker容器。

2.3.1 Docker安装

  首先，确保你的Linux系统上安装了Docker。你可以通过访问Docker的官方网站或使用包管理器来安装Docker。

  参考官网安装指南。

2.3.2 启动xv6

  获取xv6-oslab24-hitsz实验包，详见XV6实验框架代码。

  我们在 xv6-oslab24-hitsz 目录下配好了 Dockerfile，只需要在 Linux 命令行中进入该目录：

  1. 使用git checkout util切换到util分支。
  2. 使用 su 命令进入 root 用户。
  3. 使用 make build_docker 构建 docker 镜像（仅需构建一次）。
  4. 使用 make docker 启动容器进入 bash 终端。
  5. 使用 make qemu 命令启动 xv6。

docker-run-qemu