[正版] 穿越操作系统迷雾 从零实现操作系统 王柏生 王晟寒 处理器 内存 总线 机器语言 编译器 进程管理 中断

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穿越操作系统迷雾：从零实现操作系统

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 机械工业出版社

Contents

前 言

第1章 计算机基础 1

1.1 认识电 1

1.2 信息表示 5

1.2.1 二进制 5

1.2.2 十六进制 6

1.3 计算 7

1.3.1 逻辑运算 8

1.3.2 逻辑门 8

1.3.3 加法器 10

1.4 内存 12

1.4.1 物理实现 12

1.4.2 数学抽象 16

1.5 总线 17

1.6 寄存器 20

1.7 程序 22

1.8 外存 26

1.9 外设及接口 27

1.9.1 I/O地址空间 28

1.9.2 内存映射I/O 29

1.10 地址空间 30

1.11 数学模型到物理世界 31

第2章 认识Linux 34

2.1 什么是操作系统 34

2.2 文件系统 35

2.3 终端 37

2.4 shell 39

2.5 Linux常用命令 40

2.6 ANSI转义序列 43

2.7 编辑器 45

2.8 准备“物理”计算机 47

第3章 机器语言程序设计 49

3.1 程序及指令 49

3.2 补码 50

3.3 ASCII码 52

3.4 串口 53

3.5 “向串口写字符A”的

程序流程 55

3.6 写外设指令 55

3.7 准备源操作数 57

3.8 准备目的操作数 58

3.9 跳转指令 59

3.10 创建程序文件 60

3.11 程序执行过程 61

3.12 使用kvmtool运行程序 69

第4章 汇编语言程序设计 71

4.1 初识汇编语言 71

4.2 段及段寄存器 72

4.3 指令指针寄存器 74

4.4 通用寄存器 75

4.5 标志寄存器 76

4.6 汇编指令格式 78

4.7 第一个汇编程序 78

4.7.1 汇编和链接 79

4.7.2 运行 80

4.7.3 显式设置操作数的

段寄存器 83

4.7.4 伪指令.code16 85

4.8 构建工具Make 85

4.9 操作数寻址 86

4.9.1 立即数寻址 87

4.9.2 直接寻址 88

4.9.3 ModR/M寻址 89

4.9.4 SIB寻址 94

4.9.5 SIB + disp寻址 98

4.10 程序运行流程控制 101

4.10.1 选择 101

4.10.2 循环 102

4.11 栈 103

4.12 函数及x86调用约定 107

4.12.1 call和ret指令 108

4.12.2 栈帧 110

4.12.3 多模块及符号可见性 113

4.12.4 参数传递 114

4.12.5 局部变量 116

4.12.6 返回值及参数清理 118

4.12.7 寄存器保存和恢复 119

4.13 链接 122

4.13.1 目标文件合并 123

4.13.2 符号解析 125

4.13.3 符号的可见性 128

第5章 C语言程序设计 129

5.1 基本语法 130

5.1.1 词法元素 130

5.1.2 表达式 131

5.1.3 声明 132

5.1.4 语句 133

5.1.5 标识符 135

5.1.6 对象的存储类别 138

5.1.7 头文件 138

5.1.8 预处理指令 139

5.2 C语言入口 141

5.3 第一个C程序 142

5.4 从C语言到机器语言 143

5.5 变量 145

5.5.1 变量类型 146

5.5.2 局部变量 147

5.5.3 全局变量 150

5.5.4 全局变量的链接性 151

5.5.5 静态局部变量 152

5.5.6 变量类型转换 154

5.5.7 溢出 155

5.6 运算 157

5.6.1 算术运算 157

5.6.2 递增和递减 158

5.6.3 关系运算 159

5.6.4 逻辑运算 161

5.6.5 位运算 163

5.6.6 赋值运算 164

5.6.7 运算的优先级和结合性 165

5.7 程序运行流程控制 166

5.7.1 选择 166

5.7.2 循环 168

5.8 数组 172

5.9 结构体 175

5.9.1 基本语法 175

5.9.2 内存布局 176

5.9.3 位域 179

5.10 指针 180

5.10.1 基本语法 181

5.10.2 指向结构体的指针 183

5.10.3 指针的+/-运算 185

5.10.4 双指针 186

5.10.5 void指针 188

5.10.6 空指针 189

5.11 函数 189

5.11.1 基本语法 189

5.11.2 参数的值传递和

指针传递 191

5.11.3 const参数 195

5.11.4 函数指针 195

5.12 内联汇编 197

第6章 32位引导过程 200

6.1 实模式 200

6.2 保护模式 201

6.3 内核映像组成及布局 203

6.3.1 实模式地址空间 203

6.3.2 内核映像的布局 205

6.3.3 内核映像文件组织 206

6.4 创建保护模式的段描述符 207

6.4.1 段描述符格式 207

6.4.2 保护模式的内核代码段

描述符 208

6.4.3 保护模式的内核数据段

描述符 210

6.4.4 创建保护模式的段

描述符表 210

6.5 告知处理器段描述符表地址 211

6.6 开启处理器保护模式 212

6.7 跳转到内核保护模式部分 213

6.7.1 准备保护模式部分 213

6.7.2 跳转到保护模式部分 214

6.8 编译及创建内核映像文件 215

6.8.1 编译内核 215

6.8.2 组装内核映像文件 217

6.9 使用Make构建内核 220

第7章 64位引导过程 222

7.1 内存分页 222

7.1.1 为什么要分页 222

7.1.2 分页模式下的地址

翻译过程 224

7.1.3 程序的虚拟地址空间 225

7.1.4 分页模式下的寻址 225

7.1.5 页表 226

7.2 64位模式下程序的虚拟

地址空间 228

7.3 创建64位模式的临时段

描述符表 229

7.3.1 代码段 230

7.3.2 数据段 231

7.3.3 为64位模式创建临时段

描述符表 231

7.4 建立内核映像的虚拟地址到

物理地址的映射 233

7.4.1 建立四级页表映射 234

7.4.2 建立三级页表映射 235

7.4.3 建立二级页表映射 236

7.4.4 建立一级页表映射 239

7.5 建立恒等映射 240

7.6 切入64位模式 244

7.6.1 使能PAE 244

7.6.2 设置CR3指向页表 244

7.6.3 使能64位模式 245

7.6.4 开启分页 245

7.6.5 跳转到64位部分 246

7.7 走进内核64位部分 248

7.7.1 创建64位模式段描述符表 248

7.7.2 转换到内核地址空间 251

7.7.3 构建内核64位部分 254

第8章 内存管理 258

8.1 获取内存信息 258

8.1.1 BIOS简介 258

8.1.2 读取内存信息 260

8.1.3 E820的C数据结构表示 262

8.1.4 计算物理内存大小 263

8.1.5 print的实现 264

8.1.6 使用Make内置函数

提取文件 266

8.1.7 创建Make中的文件

依赖关系 267

8.2 页面管理 269

8.2.1 划分页面 269

8.2.2 为内核映像保留页面 270

8.2.3 分配页面 271

8.2.4 归还页面 272

8.3 映射物理内存 272

8.3.1 线性映射 274

8.3.2 第1阶段映射 275

8.3.3 第2阶段映射 278

8.4 内存块管理 281

8.4.1 块管理数据组织 281

8.4.2 分配内存块 284

8.4.3 释放内存块 289

第9章 进程 292

9.1 程序运行环境 292

9.2 创建应用程序 293

9.3 创建任务结构体 295

9.4 建立进程地址映射 297

9.4.1 内核空间映射 298

9.4.2 用户空间映射 299

9.5 创建进程任务状态段及

内核栈 300

9.5.1 准备任务状态段及内核栈 302

9.5.2 创建任务状态段的

段描述符 304

9.5.3 设置任务寄存器 307

9.6 伪造中断现场 307

9.7 设置CR3指向进程页表 310

9.8 进入用户空间 310

9.9 I/O端口访问权限控制 311

第10章 中断和异常 313

10.1 中断及其处理过程 313

10.1.1 可编程中断控制器

8259A 314

10.1.2 高级可编程中断控制器

APIC 317

10.1.3 MSI 317

10.2 初始化8259A 318

10.3 组织中断描述符表 321

10.3.1 初始化中断描述符表 322

10.3.2 设置中断寄存器 324

10.4 时钟中断 325

10.4.1 时钟中断处理函数 325

10.4.2 设置时钟中断描述符 327

10.4.3 编程时钟芯片8254 327

10.4.4 开启中断 329

10.4.5 现场保存和恢复 329

10.5 缺页异常 334

第11章 进程调度 338

11.1 任务状态 338

11.2 创建进程 339

11.3 空闲任务 341

11.4 任务调度 342

11.5 任务切换 345

第12章 系统调用 349

12.1 系统调用工作机制 349

12.2 内核系统调用入口 351

12.3 设置MSR寄存器 354

12.4 实现系统调用sleep 357

12.5 C库 360

12.6 应用调用sleep挂起 362

第13章 进程间通信 364

13.1 共享内存原理 364

13.2 内核共享内存实现 366

13.3 C库实现共享内存接口 368

13.4 应用使用共享内存通信 368

第14章 显示及输入 370

14.1 图形处理器 370

14.2 文本模式和图形模式 371

14.3 获取模式信息 373

14.4 将framebuffer映射到

用户空间 374

14.5 应用获取模式信息 376

14.6 设计字体 377

14.7 图形库 379

14.8 应用绘制 383

14.9 键盘输入 384

内容简介

这是一本能指导零计算机基础的读者轻松理解计算机软硬件和操作系统工作原理，从而自己动手从0到1编写出一个操作系统的著作。

作者在操作系统领域深度耕耘20余载，不仅一直奋斗在百度等企业一线，而且一直致力于操作系统的教育和布道，希望能帮助和指导越来越多的人，尤其是青少年，能从学生时代开始学习操作系统，能从底层原理真正理解操作系统，改变我国基础软件受制于人的现状。

本书不仅是作者悟透操作系统本质、厚积薄发的成果，而且是他将复杂的操作系统原理化繁为简、举重若轻，成功指导自己9岁的孩子从0到1编写出一个操作系统的过程的全面复盘和复现。本书驱散了操作系统的迷雾，让操作系统不再神秘和高不可攀，让每一个怀揣操作系统梦的中国人都能理解并实现自己的操作系统。

全书一共14章，逻辑上分为上下两篇。

上篇（第1~5章） 计算机软硬件基础和原理

从计算机如何使用电进行计算开始，首先讲述了电是如何抽象为信息的，处理器是怎样进行运算的，内存是怎样存储信息的，处理器和内存是怎样通过总线连接起来的，处理器是如何访问外设的，之后讲述了这些部件是如何结合起来运行程序的。然后通过使用机器语言编写一个程序，让读者深刻地理解指令和程序。接下来，结合汇编语言讲述了计算机体系结构。最后，从C编译器如何将C语法翻译为汇编语言的角度，聚焦语法后面的本质，让读者彻底地理解C语言，而不再纠结在语言表面的语法。

下篇（第6~14章） 从0到1实现一个操作系统

从系统引导（包含32位和64位）开始讲起，先后实现并阐述了内存管理、进程管理、中断、进程调度、系统调用、进程间通信，最后实现了在显示器上实现字符以及图形输出，并能接收键盘输入。除了直接从应用程序直接访问内核外，还展示了C库等概念，展示了从应用软件到C库、图形库，最后到内核的完整软件栈。