wip(lab/6): update wiki

docs/labs/0x06/index.md

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 # 实验六：硬盘驱动与文件系统
 
-!!! tip "<br/>&nbsp;<span style="font-weight: bold; float: right">by</span>"
+!!! tip "作为一座巨大的图书馆的守护者，你需要确保每一本书都被正确地归类、保护和维护，以便访客在任何时候都能找到他们需要的知识。<br/>&nbsp;<span style="font-weight: bold; float: right">by ChatGLM</span>"
 
 ## 实验目的
 
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 对于本次实验内容，你需要参考学习如下实验资料：
 
+- [用户空间](../../wiki/userspace.md)
 
 ## 实验任务与要求
 

docs/labs/0x06/tasks.md

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 # 实验六：硬盘驱动与文件系统
+
+!!! danger "在执行每一条命令前，请你对将要进行的操作进行思考"
+
+    **为了你的数据安全和不必要的麻烦，请谨慎使用 `sudo`，并确保你了解每一条指令的含义。**
+
+    **1. 实验文档给出的命令不需要全部执行**
+
+    **2. 不是所有的命令都可以无条件执行**
+
+    **3. 不要直接复制粘贴命令执行**
+
+## 块设备
+
+## 磁盘驱动
+
+## FAT16 文件系统
+
+## 思考题
+
+## 加分项

docs/wiki/fs.md

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+# 文件系统概述
+
 <!-- 文件系统的层次结构一篇（磁盘、块设备、分区、文件系统） -->
-# 文件系统
 
 ## 导读
 
 文件系统（File System）为操作系统提供了持久存储设备上高效管理信息的能力：其为上层应用抽象出统一的设备访问接口，屏蔽不同底层块设备的操作细节。文件系统强大而复杂，横跨计算机不同存储体系，涵盖了逻辑设计与物理实现的解耦与联系。因此，本章 Wiki 将从概念出发，逐步介绍文件系统的前世今生。
 
 !!! note "持久存储设备"
+
     持久存储设备（Persistent Storage）是指计算机中用于持久化存储数据的设备。
-    
+
     有别于易失性存储设备“内存”，持久存储设备的数据**不会因为掉电而丢失**。
-    
+
     常见的持久存储设备包括磁盘、固态硬盘、光盘、磁带、闪存等。
 
 要想深刻理解文件系统，首先需要了解文件与持久存储。由于计算机内存中的数据在掉电后会丢失，应用程序需要将数据保存在持久存储设备上。为了满足这个需求，计算机操作系统一般会有两种处理方法：
 
 - 应用程序直接操作持久存储设备，自己维护数据的存储和读写。
 - 应用程序通过操作系统提供的文件系统接口，由操作系统负责维护数据的存储和读写。
 
-对于前者，由之前的学习可以知道：计算机中应用程序若要和设备直接交互，需要操作系统让渡部分设备管理权限，无形中会引入安全隐患（如侧信道攻击等）。此外，不同的设备有不同的操作模式，应用程序需要针对不同的设备编写不同的代码，增加了开发难度的同时，还降低了应用的可移植性。因此，操作系统将设备的操作细节隐藏起来，为应用程序提供了统一的设备访问接口。这些统一的用户态/内核态访问接口和对应的数据结构组成了文件系统，而文件就是对在持久化存储设备上数据块的抽象。
+对于前者，由之前的学习可以知道：计算机中应用程序若要和设备直接交互，需要操作系统让渡部分设备管理权限，无形中会引入安全隐患（如侧信道攻击等）。此外，不同的设备有不同的操作模式，应用程序需要针对不同的设备编写不同的代码，增加了开发难度的同时，还降低了应用的可移植性。
 
-了解以上基本概念后，本章 Wiki 将继续介绍常见文件系统的层次结构，文件系统的实现概述以及对传统内核存储栈的讨论。 
+因此，操作系统将设备的操作细节隐藏起来，为应用程序提供了统一的设备访问接口。这些统一的用户态/内核态访问接口和对应的数据结构组成了文件系统，而文件就是对在持久化存储设备上数据块的抽象。
+
+了解以上基本概念后，本章 Wiki 将继续介绍常见文件系统的层次结构，文件系统的实现概述以及对传统内核存储栈的讨论。
 
 ## 文件系统的层次结构
 
 文件系统的层次结构通常可以自上而下分为以下几个层次，每个层次负责不同的功能和任务：
 
-1. **物理层**：物理层是文件系统最底层的部分，负责处理存储介质（即前文提到的“持久存储设备”）的读写操作。物理层将这些存储介质分割成逻辑块（例如扇区），并提供对这些块的标准化读写访问接口。
+1.  **物理层**：物理层是文件系统最底层的部分，负责处理存储介质（即前文提到的“持久存储设备”）的读写操作。物理层将这些存储介质分割成逻辑块（例如扇区），并提供对这些块的标准化读写访问接口。
 
-2. **块设备层**：块设备层建立在物理层之上，负责管理文件系统的逻辑块的分配和存储。它将提供了块级别的访问接口，允许文件系统在这些块上进行读写操作。典型的块设备包括硬盘分区、磁盘卷（RAID）、虚拟存储设备等。
+2.  **块设备层**：块设备层建立在物理层之上，负责管理文件系统的逻辑块的分配和存储。它将提供了块级别的访问接口，允许文件系统在这些块上进行读写操作。典型的块设备包括磁盘、硬盘的分区、磁盘卷（RAID）、虚拟存储设备等。
 
-3. **文件系统层**：文件系统层是文件系统的核心部分，负责管理文件和目录的组织、存储以及访问。它提供了一个逻辑视图，使用户和应用程序可以通过文件和目录的名称来访问数据，**而不需要关注物理存储的细节**。文件系统通常包括文件的创建、删除、修改、权限管理等功能，以及元数据的存储和管理（如文件大小、创建时间、修改时间等）。
+3.  **文件系统层**：文件系统层是文件系统的核心部分，负责管理文件和目录的组织、存储以及访问。它提供了一个逻辑视图，使用户和应用程序可以通过文件和目录的名称来访问数据，**而不需要关注物理存储的细节**。文件系统通常包括文件的创建、删除、修改、权限管理等功能，以及元数据的存储和管理（如文件大小、创建时间、修改时间等）。
 
-4. **虚拟文件系统层**（可选）：虚拟文件系统层是文件系统的抽象层，负责统一管理不同类型的文件系统，并提供统一的访问接口给上层应用程序和用户。
+4.  **虚拟文件系统层**：虚拟文件系统层是文件系统的抽象层，作为一个可选的抽象层，负责统一管理不同类型的文件系统，并提供统一的访问接口给上层应用程序和用户。
 
-!!! note "思考：为什么要在存储栈中额外抽象多一层接口？"
+    !!! question "为什么要在存储栈中额外抽象多一层接口？"
 
-    虚拟文件系统层（VFS）可以将不同文件系统（如 FAT、NTFS、EXT4 等）**抽象成相同的接口**，使得用户和应用程序可以**统一地访问**这些不同类型的文件系统，而不用关心底层文件系统的差异。
+        虚拟文件系统层（VFS）可以将不同文件系统（如 FAT、NTFS、EXT4 等）**抽象成相同的接口**，使得用户和应用程序可以**统一地访问**这些不同类型的文件系统，而不用关心底层文件系统的差异。
 
-5. **用户空间接口层**：用户空间接口层提供了用户和应用程序与文件系统之间的交互接口，使用户能够通过命令行或图形界面来操作文件和目录。这包括常见的文件操作命令（如 ls、cp、mv、rm 等）、文件管理器、API 接口等。
+5.  **用户空间接口层**：用户空间接口层提供了用户和应用程序与文件系统之间的交互接口，使用户能够通过命令行或图形界面来操作文件和目录。这包括常见的文件操作命令（如 `ls`、`cp`、`mv`、`rm` 等）、文件管理器、API 接口等。
 
 以上是文件系统的一般层次结构，不同的文件系统可能会有些许变化，如继续拆分某个层次、合并部分层次，但大致上都会包含类似的组成部分。
 
+## 文件系统的实现
+
+### 设计思路
+
+在正式介绍文件系统的实现方法之前，首先来了解一下文件系统的“松耦合”设计哲学。
+
+在操作系统的设计中，松耦合（Loose Coupling）是一种设计思路，它强调模块之间的**独立性和解耦性**，使得模块之间的依赖关系尽可能的减少。这种设计思路的好处是，当一个模块发生变化时，不会对其他模块产生太大的影响，从而提高了系统的**可维护性和可扩展性**。
 
-## 文件系统的实现方法
+在本实验和[rCore](https://rcore-os.cn/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter6/2fs-implementation.html)的设计中，都采用了这样的思路，具体可以体现在：
 
-在正式介绍文件系统的实现方法之前，首先来了解一下文件系统的“松耦合”设计哲学。在操作系统的设计中，松耦合（Loose Coupling）是一种设计思路，它强调模块之间的独立性和解耦性，使得模块之间的依赖关系尽可能的减少。这种设计思路的好处是，当一个模块发生变化时，不会对其他模块产生太大的影响，从而提高了系统的可维护性和可扩展性。一个参考的具体例子如下：
+- `BlockDevice`：文件系统与底层设备驱动之间通过抽象层 `BlockDevice` 来连接，避免了与设备驱动、分区方式的绑定。
+- `alloc` crate：通过 Rust 提供的 `alloc crate` 来隔离了语言层面的内存管理，避免了直接调用内存管理的内核函数，同时提供了在 `std` 环境下进行测试的能力。
+- `trait` 和 `dyn`：通过对文件系统的功能、相关数据结构进行抽象封装，从而使得创建虚拟文件系统和支持更多不同的文件系统成为可能。
 
-> [“松耦合”设计思路（rCore）](https://rcore-os.cn/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter6/2fs-implementation.html)
-> 能做到这一点，是由于我们在 easy-fs 设计上，采用了松耦合模块化设计思路。easy-fs 与底层设备驱动之间通过抽象接口 BlockDevice 来连接，避免了与设备驱动的绑定。easy-fs 通过Rust提供的 alloc crate 来隔离了操作系统内核的内存管理，避免了直接调用内存管理的内核函数。在底层驱动上，采用的是轮询的方式访问 virtio_blk 虚拟磁盘设备，从而避免了访问外设中断的相关内核函数。easy-fs 在设计中避免了直接访问进程相关的数据和函数，从而隔离了操作系统内核的进程管理。
+### 实现方法
 
-接下来是文件系统具体的实现方法。一般来说，设计文件系统需要仔细规划以下布局：
+由于种种的历史遗留、技术迭代，留下了很多诸如“扇区”、“分区”等概念。考虑向前的兼容性也是文件系统设计的一个重要因素。
 
-- **引导扇区**：对于部分启动方法（如 BIOS-x86 ）来说，引导扇区是启动时必不可少的部分，但其他启动方法（如 UEFI 和 OpenFirmware）则一般不需要保留引导扇区。虽然引导扇区是实现的可选项，但保留引导扇区能让操作系统易于被移植以使用对应的启动方法。
+#### 磁盘与分区
 
-- **分区元数据**：这可以与引导代码一起放置在第一个扇区中，或者作为一个单独的扇区组放置在特定位置。（FAT 将其放在第一个扇区中，称为 FAT 参数块。 ext 使用一个单独的位置，称为超级块。）一般来说，元数据至少包含文件系统大小、文件表的位置和版本号。类似的，在实现时尽量留出充足的空间，以容纳初版设计没有考虑到的功能。如果放置在第一个扇区中，请不要忘记为jmp指令、引导代码和分区表等信息留出空间。
+磁盘是计算机中最常见的持久存储设备之一，它是由一个或多个盘片组成的，每个盘片上都有一个或多个磁道，每个磁道上都有一个或多个扇区。磁盘上的数据是以扇区为单位进行读写的，每个扇区的大小通常是 512 字节或 4KB。
 
-- **文件表**：不要将其简单视为保存文件位置表格。类似于页表项，文件表项也可以包含文件的元信息，如：权限、所有者、文件大小、文件位置等信息。文件表项的大小取决于文件系统的设计，但一般来说，文件表项的大小应该是固定的。文件表项的大小不应该随文件大小的增长而增长，这样可以避免在文件系统中产生碎片。
+!!! question "SSD 也是磁盘吗"
 
-- **数据区域**：文件的真正储存位置，具体实现应与上文提及的组件相对应。
+    在现代计算机中，这些概念也被逐渐模糊，不一定有磁盘才具有扇区，更多考虑到的是访问驱动和兼容性，在 QEMU 模拟的虚拟机中，甚至可以将内存映射为块设备。
+
+在常见的磁盘上，通常会划分出一个或多个分区，每个分区都是一个逻辑上的独立存储空间，它们可以被格式化为不同的文件系统，或者用于存储不同的数据。分区的信息通常需要存储在磁盘中，通过分区表进行管理，GPT（GUID Partition Table）和 MBR（Master Boot Record）是两种常见的分区表格式。
+
+同时，一般还存在**引导扇区**等概念，将会在具体的实现中进行介绍。
+
+#### 文件存储
+
+文件系统的核心是文件数据的管理，文件系统需要负责文件的创建、删除、修改、读取等操作。文件系统通常会将文件的数据和元信息（如文件大小、创建时间、修改时间等）存储在磁盘上，以便在需要时进行读取和修改。
+
+文件系统的实现方法有很多种，常见的文件系统包括 FAT、NTFS、EXT4 等。不同的文件系统有不同的设计思路和实现方法，但它们都需要解决文件的组织、存储和访问等问题。
+
+FAT 的实现很简单：它将文件系统的元信息和文件数据都存储在磁盘上，通过文件表来管理文件的组织和存储。EXT4 则更加复杂，它采用了日志、索引节点等技术，以提高文件系统的性能和可靠性。
 
 你还可以参考 [rCore - 代码导读部分](https://rcore-os.cn/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter6/0intro.html)，学习系统代码迭代开发的过程，获得另一视角的实现参考。
 
 ## 讨论
 
-当然，应用程序（用户态）直接与持久存储设备交互的模式也不是绝对的缺点。在传统的设计（如 Linux）中，应用程序的存储栈往往由以下数个部分组成：用户态逻辑-系统调用-虚拟文件系统-文件系统-块 I/O -设备驱动-物理设备(参考：[Linux-storage-stack-diagram](https://www.google.com/search?q=Linux-storage-stack-diagram_v4.10&oq=Linux-storage-stack-diagram_v4.10&gs_lcrp=EgZjaHJvbWUyBggAEEUYOdIBBzU4M2owajeoAgCwAgA&sourceid=chrome&ie=UTF-8))。兼容取向的松耦合逻辑带来超长的软件调用栈，进而引入无法忽视的性能开销（参考：[OSDI '22 Best Paper: XRP](https://www.usenix.org/conference/osdi22/presentation/zhong)）。因此，目前科研前沿提出了不少绕过传统内核-文件系统体系（Kernel Bypass）的存储解决方案，如 SPDK 等。通过解耦权限控制面与数据传输面，在用户态完成高效数据传输，而不用经过冗长的内核存储栈。
+当然，应用程序（用户态）直接与持久存储设备交互的模式也不是绝对的缺点。在传统的设计（如 Linux）中，应用程序的存储栈往往由以下数个部分组成：用户态逻辑-系统调用-虚拟文件系统-文件系统-块 I/O -设备驱动-物理设备（参考：[Linux-storage-stack-diagram](https://www.thomas-krenn.com/de/wikiDE/images/d/d0/Linux-storage-stack-diagram_v4.10.pdf)）
+
+兼容取向的松耦合逻辑带来超长的软件调用栈，进而引入无法忽视的性能开销（参考：[OSDI '22 Best Paper: XRP](https://www.usenix.org/conference/osdi22/presentation/zhong)）。
 
+因此，目前科研前沿提出了不少绕过传统内核-文件系统体系（Kernel Bypass）的存储解决方案，如 SPDK 等。通过解耦权限控制面与数据传输面，在用户态完成高效数据传输，而不用经过冗长的内核存储栈。
 
 ## 参考资料
 
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 - [你管这破玩意叫文件系统 - 微信科普公众号](https://mp.weixin.qq.com/s/q6OjwCXSk05TvX_BIu1M0g)
 - [OSDI '22 Best Paper: XRP](https://www.usenix.org/conference/osdi22/presentation/zhong)
 - [SPDKL: The Storage Performance Development Kit](https://spdk.io/doc/about.html)
-- [存储系统-从没入门到刚入门](https://www.yuque.com/wwyf/blog/dhoobh)
+- [存储系统-从没入门到刚入门](https://www.yuque.com/wwyf/blog/dhoobh)

mkdocs.yml

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     - APIC 可编程中断控制器: wiki/apic.md
     - x64 数据结构概述: wiki/structures.md
     - 用户空间: wiki/userspace.md
+    - 文件系统概述: wiki/fs.md
 
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