操作系统真象还原 (郑纲)

历时19个月，行文60余万字，用6000多行代码实现了一个完整的操作系统。

彻底剖析操作系统的原理，实现内核线程、特权级变换、用户进程、任务调度、文件系统等操作系统基本的组成单元。

用实际代码解释了锁、信号量、生产者消费者问题。

实现了shell，帮助大家理解内部命令、外部命令、管道等操作。

本书用诙谐幽默的语言，把深奥的操作系统尽量讲解清楚，读者在轻松阅读中就学通了深奥的知识，学完后不但明白了操作系统，读者可以轻松自制一个操作系统，是一本难得的好书。

本书适合操作系统快速入门并希望快速提高的读者、具备一定基础、但不能灵活运用的读者、也适用于那些已经在操作系统领域有一定造诣、但依然存在误用的读者

绝大多数技术人都对操作系统怀着好奇的心，他们渴望一本告诉操作系统到底是什么的书，里面不要掺杂太多无关的管理性的东西，代码量不大且是现代操作系统雏形，渴望很快看到操作系统的本质而不花费大量的时间成本。操作系统并不深奥，本书给予解读。

内容简介:本书共分16章，讲解了开发一个操作系统需要的技术和知识，主要内容有：操作系统基础、部署工作环境、编写MBR主引导记录、完善MBR错误、保护模式入门、保护模式进阶和向内核迈进、中断、内存管理系统、线程、输入输出系统、用户进程、完善内核、编写硬盘驱动程序、文件系统、系统交互等核心技术。

本书适合程序员、系统底层开发人员、操作系统爱好者阅读，也可作为大专院校相关专业师生用书和培训学校的教材。

作者简介:郑钢，毕业于北京大学，前百度运维高级工程师，对操作系统有深入的研究。好运动，喜钻研，热衷于尝试前沿技术，乐于分享学习成果。

目录:第0章  一些你可能正感到迷惑的问题  1

0．1  操作系统是什么  1

0．2  你想研究到什么程度  2

0．3  写操作系统，哪些需要我来做  2

0．4  软件是如何访问硬件的  2

0．5  应用程序是什么，和操作系统是如何

配合到一起的  3

0．6  为什么称为“陷入”内核  4

0．7  内存访问为什么要分段  4

0．8  代码中为什么分为代码段、数据段？

这和内存访问机制中的段是一回事吗  6

0．9  物理地址、逻辑地址、有效地址、线性

地址、虚拟地址的区别  11

0．10  什么是段重叠  12

0．11  什么是平坦模型  12

0．12  cs、ds这类sreg段寄存器，位宽是

多少  12

0．13  什么是工程，什么是协议  13

0．14  为什么Linux系统下的应用程序不能在

Windows系统下运行  14

0．15  局部变量和函数参数为什么要放在

栈中  14

0．16  为什么说汇编语言比C语言快  15

0．17  先有的语言，还是先有的编译器，第1个

编译器是怎么产生的  16

0．18  编译型程序与解释型程序的区别  19

0．19  什么是大端字节序、小端字节序  19

0．20  BIOS中断、DOS中断、Linux中断的

区别  21

0．21  Section和Segment的区别  25

0．22  什么是魔数  29

0．23  操作系统是如何识别文件系统的  30

0．24  如何控制CPU的下一条指令  30

0．25  指令集、体系结构、微架构、编程

语言  30

0．26  库函数是用户进程与内核的桥梁  33

0．27  转义字符与ASCII码  37

0．28  MBR、EBR、DBR和OBR各是

什么  39

第1章  部署工作环境  42

1．1  工欲善其事，必先利其器  42

1．2  我们需要哪些编译器  42

1．2．1  世界顶级编译器GCC  42

1．2．2  汇编语言编译器新贵NASM  43

1．3  操作系统的宿主环境  43

1．3．1  什么是虚拟机  44

1．3．2  盗梦空间般的开发环境，虚拟机

中再装一个虚拟机  45

1．3．3  virtualBox下载，安装  46

1．3．4  Linux发行版下载  46

1．3．5  Bochs下载安装  46

1．4  配置bochs  48

1．5  运行bochs  49

第2章  编写MBR主引导记录，让我们开始

掌权  52

2．1  计算机的启动过程  52

2．2  软件接力第一棒，BIOS  52

2．2．1  实模式下的1MB内存布局  52

2．2．2  BIOS是如何苏醒的  54

2．2．3  为什么是0x7c00  56

2．3  让MBR先飞一会儿  58

2．3．1  神奇好用的$和$$，令人迷惑的

section  58

2．3．2  NASM简单用法  60

2．3．3  请下一位选手MBR同学做

准备  60

第3章  完善MBR  65

3．1  地址、section、vstart浅尝辄止  65

3．1．1  什么是地址  65

3．1．2  什么是section  67

3．1．3  什么是vstart  68

3．2  CPU的实模式  70

3．2．1  CPU的工作原理  71

3．2．2  实模式下的寄存器  72

3．2．3  实模式下内存分段由来  76

3．2．4  实模式下CPU内存寻址方式  78

3．2．5  栈到底是什么玩意儿  81

3．2．6  实模式下的ret  84

3．2．7  实模式下的call  85

3．2．8  实模式下的jmp  92

3．2．9  标志寄存器flags  97

3．2．10  有条件转移  99

3．2．11  实模式小结  101

3．3  让我们直接对显示器说点什么吧  101

3．3．1  CPU如何与外设通信—IO

接口  101

3．3．2  显卡概述  105

3．3．3  显存、显卡、显示器  106

3．3．4  改进MBR，直接操作显卡  110

3．4  bochs调试方法  112

3．4．1  bochs一般用法  113

3．4．2  bochs调试实例  118

3．5  硬盘介绍  122

3．5．1  硬盘发展简史  122

3．5．2  硬盘工作原理  123

3．5．3  硬盘控制器端口  126

3．5．4  常用的硬盘操作方法  128

3．6  让MBR使用硬盘  129

3．6．1  改造MBR  130

3．6．2  实现内核加载器  134

第4章  保护模式入门  136

4．1  保护模式概述  136

4．1．1  为什么要有保护模式  136

4．1．2  实模式不是32位CPU，变成了

16位  137

4．2  初见保护模式  137

4．2．1  保护模式之寄存器扩展  137

4．2．2  保护模式之寻址扩展  140

4．2．3  保护模式之运行模式反转  141

4．2．4  保护模式之指令扩展  145

4．3  全局描述符表  150

4．3．1  段描述符  150

4．3．2  全局描述符表GDT、局部描述

符表LDT及选择子  155

4．3．3  打开A20地址线  157

4．3．4  保护模式的开关，CR0寄存器的

PE位  158

4．3．5  让我们进入保护模式  158

4．4  处理器微架构简介  165

4．4．1  流水线  166

4．4．2  乱序执行  168

4．4．3  缓存  168

4．4．4  分支预测  169

4．5  使用远跳转指令清空流水线，更新段描述

符缓冲寄存器  172

4．6  保护模式之内存段的保护  173

4．6．1  向段寄存器加载选择子时的

保护  173

4．6．2  代码段和数据段的保护  174

4．6．3  栈段的保护  175

第5章  保护模式进阶，向内核迈进  177

5．1  获取物理内存容量  177

5．1．1  学习Linux获取内存的方法  177

5．1．2  利用BIOS中断0x15子功能

0xe820获取内存  177

5．1．3  利用BIOS中断0x15子功能

0xe801获取内存  179

5．1．4  利用BIOS中断0x15子功能

0x88获取内存  180

5．1．5  实战内存容量检测  181

5．2  启用内存分页机制，畅游虚拟空间  186

5．2．1  内存为什么要分页  186

5．2．2  一级页表  188

5．2．3  二级页表  192

5．2．4  规划页表之操作系统与用户

进程的关系  197

5．2．5  启用分页机制  198

5．2．6  用虚拟地址访问页表  204

5．2．7  快表TLB（Translation  Lookaside

Buffer）简介  206

5．3  加载内核  207

5．3．1  用C语言写内核  207

5．3．2  二进制程序的运行方法  211

5．3．3  elf格式的二进制文件  213

5．3．4  elf文件实例分析  218

5．3．5  将内核载入内存  222

5．4  特权级深入浅出  229

5．4．1  特权级那点事  229

5．4．2  TSS简介  230

5．4．3  CPL和DPL入门  232

5．4．4  门、调用门与RPL序  235

5．4．5  调用门的过程保护  240

5．4．6  RPL的前世今生  243

5．4．7  IO特权级  248

第6章  完善内核  252

6．1  函数调用约定简介  252

6．2  汇编语言和C语言混合编程  256

6．2．1  浅析C库函数与系统调用  256

6．2．2  汇编语言和C语言共同协作  259

6．3  实现自己的打印函数  261

6．3．1  显卡的端口控制  261

6．3．2  实现单个字符打印  265

6．3．3  实现字符串打印  275

6．3．4  实现整数打印  277

6．4  内联汇编  281

6．4．1  什么是内联汇编  281

6．4．2  汇编语言AT&T语法简介  281

6．4．3  基本内联汇编  283

6．4．4  扩展内联汇编  284

6．4．5  扩展内联汇编之机器模式简介  294

第7章  中断  298

7．1  中断是什么，为什么要有中断  298

7．2  操作系统是中断驱动的  299

7．3  中断分类  299

7．3．1  外部中断  299

7．3．2  内部中断  301

7．4  中断描述符表  304

7．4．1  中断处理过程及保护  306

7．4．2  中断发生时的压栈  308

7．4．3  中断错误码  310

7．5  可编程中断控制器8259A  311

7．5．1  8259A介绍  311

7．5．2  8259A的编程  314

7．6  编写中断处理程序  319

7．6．1  从最简单的中断处理程序

开始  319

7．6．2  改进中断处理程序  335

7．6．3  调试实战：处理器进入中断时

压栈出栈完整过程  339

7．7  可编程计数器/定时器8253简介  346

7．7．1  时钟—给设备打拍子  346

7．7．2  8253入门  348

7．7．3  8253控制字  349

7．7．4  8253工作方式  350

7．7．5  8253初始化步骤  353

7．8  提高时钟中断的频率，让中断来得更

猛烈一些  354

第8章  内存管理系统  357

8．1  makefile简介  357

8．1．1  makefile是什么  357

8．1．2  makefile基本语法  358

8．1．3  跳到目标处执行  360

8．1．4  伪目标  361

8．1．5  make：递归式推导目标  362

8．1．6  自定义变量与系统变量  363

8．1．7  隐含规则  365

8．1．8  自动化变量  366

8．1．9  模式规则  367

8．2  实现assert断言  367

8．2．1  实现开、关中断的函数  367

8．2．2  实现ASSERT  370

8．2．3  通过makefile来编译  372

8．3  实现字符串操作函数  374

8．4  位图bitmap及其函数的实现  377

8．4．1  位图简介  377

8．4．2  位图的定义与实现  378

8．5  内存管理系统  381

8．5．1  内存池规划  381

8．5．2  内存管理系统第一步，分配页

内存  388

第9章  线程  398

9．1  实现内核线程  398

9．1．1  执行流  398

9．1．2  线程到底是什么  399

9．1．3  进程与线程的关系、区别简述  402

9．1．4  进程、线程的状态  405

9．1．5  进程的身份证—PCB  405

9．1．6  实现线程的两种方式—内核或

用户进程  406

9．2  在内核空间实现线程  409

9．2．1  简单的PCB及线程栈的实现  409

9．2．2  线程的实现  413

9．3  核心数据结构，双向链表  417

9．4  多线程调度  421

9．4．1  简单优先级调度的基础  421

9．4．2  任务调度器和任务切换  425

第10章  输入输出系统  439

10．1  同步机制——锁  439

10．1．1  排查GP异常，理解原子操作  439

10．1．2  找出代码中的临界区、互斥、

竞争条件  444

10．1．3  信号量  445

10．1．4  线程的阻塞与唤醒  447

10．1．5  锁的实现  449

10．2  用锁实现终端输出  452

10．3  从键盘获取输入  456

10．3．1  键盘输入原理简介  456

10．3．2  键盘扫描码  457

10．3．3  8042简介  463

10．3．4  测试键盘中断处理程序  465

10．4  编写键盘驱动  468

10．4．1  转义字符介绍  468

10．4．2  处理扫描码  469

10．5  环形输入缓冲区  476

10．5．1  生产者与消费者问题简述  476

10．5．2  环形缓冲区的实现  478

10．5．3  添加键盘输入缓冲区  481

10．5．4  生产者与消费者实例测试  482

第11章  用户进程  485

11．1  为什么要有任务状态段TSS  485

11．1．1  多任务的起源，很久很久

以前……    485

11．1．2  LDT简介  486

11．1．3  TSS的作用  488

11．1．4  CPU原生支持的任务切换

方式  492

11．1．5  现代操作系统采用的任务

切换方式  495

11．2  定义并初始化TSS  497

11．3  实现用户进程  501

11．3．1  实现用户进程的原理  501

11．3．2  用户进程的虚拟地址空间  501

11．3．3  为进程创建页表和3特权

级栈  502

11．3．4  进入特权级3  505

11．3．5  用户进程创建的流程  506

11．3．6  实现用户进程—上  507

11．3．7  bss简介  513

11．3．8  实现用户进程—下  515

11．3．9  让进程跑起来—用户进程的

调度  519

11．3．10  测试用户进程  520

第12章  进一步完善内核  523

12．1  Linux系统调用浅析  523

12．2  系统调用的实现  527

12．2．1  系统调用实现框架  527

12．2．2  增加0x80号中断描述符  527

12．2．3  实现系统调用接口  528

12．2．4  增加0x80号中断处理例程  528

12．2．5  初始化系统调用和实现

sys_getpid  530

12．2．6  添加系统调用getpid  531

12．2．7  在用户进程中的系统调用  532

12．2．8  系统调用之栈传递参数  534

12．3  让用户进程“说话”  536

12．3．1  可变参数的原理  536

12．3．2  实现系统调用write  538

12．3．3  实现printf  539

12．3．4  完善printf  542

12．4  完善堆内存管理  545

12．4．1  malloc底层原理  545

12．4．2  底层初始化  548

12．4．3  实现sys_malloc  550

12．4．4  内存的释放  555

12．4．5  实现sys_free  558

12．4．6  实现系统调用malloc和free  562

第13章  编写硬盘驱动程序  566

13．1  硬盘及分区表  566

13．1．1  创建从盘及获取安装的

磁盘数  566

13．1．2  创建磁盘分区表  567

13．1．3  磁盘分区表浅析  571

13．2  编写硬盘驱动程序  578

13．2．1  硬盘初始化  578

13．2．2  实现thread_yield和idle线程  582

13．2．3  实现简单的休眠函数  584

13．2．4  完善硬盘驱动程序  585

13．2．5  获取硬盘信息，扫描分区表  590

第14章  文件系统  595

14．1  文件系统概念简介  595

14．1．1  inode、间接块索引表、文件

控制块FCB简介  595

14．1．2  项与简介  597

14．1．3  超级块与文件系统布局  599

14．2  创建文件系统  601

14．2．1  创建超级块、i结点、项  601

14．2．2  创建文件系统  603

14．2．3  挂载分区  609

14．3  文件描述符简介  612

14．3．1  文件描述符原理  612

14．3．2  文件描述符的实现  614

14．4  文件操作相关的基础函数  615

14．4．1  inode操作有关的函数  616

14．4．2  文件相关的函数  620

14．4．3  相关的函数  623

14．4．4  路径解析相关的函数  628

14．4．5  实现文件检索功能  630

14．5  创建文件  633

14．5．1  实现file_create  633

14．5．2  实现sys_open  636

14．5．3  在文件系统上创建第1个

文件  639

14．6  文件的打开与关闭  640

14．6．1  文件的打开  640

14．6．2  文件的关闭  642

14．7  实现文件写入  643

14．7．1  实现file_write  643

14．7．2  改进sys_write及write系统

调用  648

14．7．3  把数据写入文件  650

14．8  读取文件  651

14．8．1  实现file_read  651

14．8．2  实现sys_read与功能验证  653

14．9  实现文件读写指针定位功能  655

14．10  实现文件删除功能  657

14．10．1  回收inode  657

14．10．2  删除项  660

14．10．3  实现sys_unlink与功能验证  663

14．11  创建  665

14．11．1  实现sys_mkdir创建  666

14．11．2  创建功能验证  669

14．12  遍历  671

14．12．1  打开和关闭  671

14．12．2  读取1个项  673

14．12．3  实现sys_readdir及sys_

rewinddir  674

14．13  删除  676

14．13．1  删除与判断空  676

14．13．2  实现sys_rmdir及功能验证  677

14．14  任务的工作  679

14．14．1  显示当前工作的原理及

基础代码  679

14．14．2  实现sys_getcwd  681

14．14．3  实现sys_chdir改变工作  683

14．15  获得文件属性  684

14．15．1  ls命令的幕后功臣  684

14．15．2  实现sys_stat  685

第15章  系统交互  687

15．1  fork的原理与实现  687

15．1．1  什么是fork  687

15．1．2  fork的实现  689

15．1．3  添加fork系统调用与实现init

进程  695

15．2  添加read系统调用，获取键盘输入  696

15．3  添加putchar、clear系统调用  697

15．4  实现一个简单的shell  699

15．4．1  shell雏形  699

15．4．2  添加Ctrl+u和Ctrl+l快捷键  701

15．4．3  解析键入的字符  703

15．4．4  添加系统调用  705

15．4．5  路径解析转换  708

15．4．6  实现ls、cd、mkdir、ps、rm等

命令  712

15．5  加载用户进程  717

15．5．1  实现exec  717

15．5．2  让shell支持外部命令  723

15．5．3  加载硬盘上的用户程序执行  724

15．5．4  使用户进程支持参数  727

15．6  实现系统调用wait和exit  731

15．6．1  wait和exit的作用  731

15．6．2  孤儿进程和僵尸进程  732

15．6．3  一些基础代码  733

15．6．4  实现wait和exit  737

15．6．5  实现cat命令  741

15．7  管道  745

15．7．1  管道的原理  745

15．7．2  管道的设计  747

15．7．3  管道的实现  748

15．7．4  利用管道实现进程间通信  752

15．7．5  在shell中支持管道  754

参考文献  760