参考书目：操作系统真象还原

github目录介绍

• code:各章节代码
• code-c99:二次开发devel
• vsdx: visio图示
• syscall:系统调用表资料
• material_error_src:书中勘误
• tool:工具脚本
• image:github md图片目录
• bochs:bochs源码
• back:备份及杂项misc

内容简介

大学及研究生都有操作系统课程，这类人群具有很高的学术能力,但书中讲的过于抽象与晦涩，以至于很多学生对于此门课程恐惧到都提不出问题，只有会的人才能提出问题。操作系统理论书是无法让读者理解什么是操作系统的，学操作系统不能靠想像，他们需要看到具体的东西。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，他们渴望很快看到本质而不花费大量的时间成本。

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

  • 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 461.3.4 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 LookasideBuffer）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 48611.1.3 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 目录项与目录简介 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、目录项 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 目录相关的函数 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 删除目录项 660

    • 14.10.3 实现sys_unlink与功能验证 663

  • 14.11 创建目录 665

    • 14.11.1 实现sys_mkdir创建目录 666

    • 14.11.2 创建目录功能验证 669

  • 14.12 遍历目录 671

    • 14.12.1 打开目录和关闭目录 671

    • 14.12.2 读取1个目录项 673

    • 14.12.3 实现sys_readdir及sys_rewinddir 674

  • 14.13 删除目录 676

    • 14.13.1 删除目录与判断空目录 676

    • 14.13.2 实现sys_rmdir及功能验证 677

  • 14.14 任务的工作目录 679

    • 14.14.1 显示当前工作目录的原理及基础代码 679

    • 14.14.2 实现sys_getcwd 681

    • 14.14.3 实现sys_chdir改变工作目录 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