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多功能操作系统教学实验系统

    操作系统教学实验平台可应用于计算机操作系统设计与验证环境,如《计算机操作系统》、《LINUX操作系统》等课程实验教学,弥补与补充其硬件实验环境的不足。促使学生达到巩固提高、融会贯通、能力训练、知识创新的学习效果。本实验系统对基于龙芯系统的BIOS/BootLoader、标准操作系统内核(Linux Kernel)进行源码开放,并可运行标准开源Linux操作系统,形成一台功能完整的全国产平台计算机,使学生能通过该平台进行实验调试,更好地理解操作系统的原理,并达到理论联系实际,融会贯通的目的。

一、产品特点

1.     自主平台、源码开放

        实验平台采用基于我国自主研发的龙芯多核处理器,基于标准MIPS架构与Linux通用操作系统,全系统国内自主研发,具有高性能、自主可控、系统开放等特点。该系统从底层处理器芯片到主板,以及系统软件都由我国自主研发或移植,并根据教学课程需要进行精简与定制,同时可提供CPU级别的EJTAG调试接口,具备比Intel X86更好的底层开放性和可调试性。本实验系统对基于龙芯系统的BootLoader(PMON)、操作系统内核(Linux Kernel)进行源码开放,使学生能从底层进行实验调试,通过教学实验更好的理解操作系统的原理。
2.     满足多种教学需求
        该系统作为计算机全系统的运行平台环境,可以满足《计算机操作系统》、《编译原理》等系统能力培养的基础课程教学需求。通过配合教师日常授课,设计配套较为直观的实验案例,通过安排学生对教师所教学知识点进行及时上机操作,起到辅助教师教学、降低教师授课负担并有效提高教学质量。同时,由于该系统具有丰富的硬件资源,还可以开展基于国产MIPS平台的应用编程、网络通讯等课程实验。使学生达到巩固提高、融会贯通、能力训练、知识创新的教学效果。
3.     完备的国产化多功能计算机系统
        本实验系统平台可以支持多种标准的Linux操作系统版本,可在实验平台上安装CentOS、Fedora、Debian等开源Linux操作系统。除此之外,该实验平台还可以安装中标麒麟、中科红旗、普华Linux、深度(Deepin)等国产品牌Linux操作系统。后期还将支持Android、Vxworks等操作系统。
实验系统平台作为一个功能完备的全国产计算机,在操作系统之上还支持数据库(包括如Mysql以及国产数据库等)、办公软件(包括如OpenOffice、国产WPS)、浏览器(包括Chrome、Firefox)、JAVA虚拟机(OPEN JDK)以及各类编程软件等,可进行计算机基础、文字处理系统、C语言设计、数据库、图形库编程、计算机网络与应用、算法与程序设计、网页制作、多媒体技术等多门课程的实验。
4.     提供业界交流与开源社区平台
        该实验室平台由中科院计算技术所龙芯团队进行研制并推广,在提供教学实验平台的同时还提供培训、科研与教学合作的机会,提供课程的教学老师和学生有机会与国内最前沿的计算机芯片和研发人员直接交流,从而能够最大程度上对计算机系统课程进行深入理解,并达到高校教学与企业需求的有效对接。
        教学实验系统软硬件逐级源码开放,并为教学老师和学生以及研究人员提供龙芯开源社区作为交流和服务平台。龙芯开源社区网址是www.loongnix.org ,社区提供论坛、百科、BUG管理、邮件列表、镜像源、源码库等多个版块。社区以“开源开发、合作共赢”的开源社区形式进行管理,发布开源社区版Loongnix操作系统及配套软件。通过“源码开放、免费下载”的方式。社区鼓励和支持国内外机构和开源爱好者共同参与龙芯基础软件生态建设。目前,国内主要的基础软件厂商和数量众多的开源爱好者都已经参与到龙芯社区,共同推进龙芯平台基础软件生态的持续发展。

二、产品组成和介绍

        该实验平台由定制开发的龙芯3A/3B CPU主板、Jtag调试器和配套软件、代码及教材组成。
        实验平台提供软件代码,包括运行于CPU之上的BIOS及内核,以及包含了所有IO接口的驱动,配套编译器等软件,包括的教学实验。在此基础上,学生可以了解所有底层软件代码的,并重新进行编写更改功能,便于开展不同内容的软硬件结合实验。
实验箱主板规格

主板尺寸 Micro-ATX板型:244×244mm (9.6x9.6英寸)
中央处理器(CPU) 型号:loongson3B1500 *1,主频:0.8-1.1GHz,32nm制造工艺
芯片组 北桥:AMD RS780,南桥:SB710
内存 DDR3 240pin DIMM槽 * 2,最大支持16GB内存容量
显示 内置显示处理器,支持VGA、DVI-D接口显示输出,支持DVI-D,最高分辨率达:1600x1200@75Hz,支持RGB,最高分辨率达:2560x1440@75Hz,最大共用显存容量128MB
扩展槽 PCI Express 2.0 X16 *1 扩展卡扩展插槽(X 8模式),PCI Express 2.0 X8 *1 扩展卡扩展插槽(X 8模式),PCI Express 2.0 X4 *1 扩展卡扩展插槽(X 4模式)
音频 支持低功耗5.1高保真度音频编解码器,支持音频接口检测,支持MIC 、音频输入与音频输出3.5mm标准音频接口
存储设备连接槽 AMD SB710 芯片内置ATA控制器,支持SATA2.0(3Gb/s) * 4连接端口
网络功能 Intel 82574L千兆网卡芯片,支持网络速率10M/100M/1000M
USB AMD SB710内置USB2.0 Host控制器,提供2 X USB2.0扩展槽(支持USB2.0*4个接口),提供USB2.0*2 连接端口,Renesas uPD720201 USB3.0转换芯片,提供1 X USB3.0 19pin扩展槽(支持USB3.0*2接口),提供USB3.0*2连接端口
后测面板设备连接端口 1 X PS/2 键盘连接端口,1 X PS/2 鼠标连接端口 ,1 X DVI-D 连接端口,1 X D-Sub 连接端口,1 X COM 连接端口 (RS232),1 X RJ-45 网络连接端口,2 X USB2.0/1.0 连接端口 ,2 X USB3.0/2.0 连接端口 ,3通道音频连接端口
内置I/O设备连接端口 1 X 19 pin USB3.0/2.0扩展排线插槽,可扩展2组外接式USB3.0/2.0连接端口,2 X USB2.0/1.1扩展排线插槽,可扩展4组外接式USB2.0/1.1连接端口,1 X 系统控制面板接连排针,1 X Audio 音频连接排针,4 X SATA 3.0Gb/s设备连接插座,1 X 4pin CPU风扇插槽,1 X 4pin 北桥(RS780E)风扇插槽,1 X EJTAG 连接排针,1 X TCM 接连排针,1 X 24pin ATX电源插槽,1 X 4pin ATX 12V电源插槽,1 X 配置数据清除(CMOS),1 X BIOS恢复选择排针 (BIOS Recover)
特性说明 支持刷卡开机,支持BIOS恢复功能,支持智能温度监控与风扇控制,提供TCM模块接口

 

四、实验内容

《Linux操作系统实验指导书》
第一章  进程与线程
      实验一 fork()创建子进程
      实验二 线程共享进程中的数据
      实验三 多线程实现字符统计
第二章  传统的进程间通信
      实验四 信号通信实验
      实验五 管道通信实验
      实验六 使用命名管道建立客户/服务器关联程序
第三章  System V 的进程间通信
      实验七 消息队列实现进程间通信
      实验八 信号量实现进程同步
      实验九 基于信号量采用多线程技术实现进程同步
      实验十 共享主存实现进程间通信
第四章  页面替换算法
      实验十一 模拟实现动态分区存储管理
第五章  时钟与定时器
      实验十二 统计进程时间
      实验十三 通过alarm()实现sleep()函数功能
      实验十四 基于单定时器实现任意数目的逻辑定时器
第六章  网络通信编程
      实验十五 UDP通信实验
      实验十六 基于TCP的客户/服务器程序
 《Linux内核实践指导书》
      实验一  Linux下Shell脚本编程实验
      实验二  Makefile文件的编写
      实验三  Linux内核模块编程实验
      实验四  增加系统调用实验
      实验五  获取进程管理与调度信息实验
      实验六  工作队列实验
      实验七  定时器实验
      实验八、Linux驱动程序实验
      实验九  进程同步实验