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出版者:電腦人

作者:施典志

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2001年11月14日

价格:NT$ 350

装帧:

isbn号码:9789572043769

丛书系列:

图书标签:

• BIOS
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• UEFI
• 故障排除

《数字时代的隐秘守护者：操作系统内核与驱动程序设计深度解析》 书籍简介 在这个信息爆炸的时代，我们每天都在与计算机和智能设备进行交互，从智能手机的流畅操作到云计算中心的稳定运行，这一切的基石都在于一个复杂而精密的软件层——操作系统（OS）内核。然而，对于大多数用户而言，这个“幕后英雄”依然笼罩着一层神秘的面纱。 《数字时代的隐秘守护者：操作系统内核与驱动程序设计深度解析》旨在揭开这层面纱，为有志于深入理解现代计算系统底层机制的读者提供一份详尽而实用的指南。本书不局限于理论阐述，而是以实践为导向，深入剖析现代操作系统（特别是类Unix和Windows内核的架构哲学）的核心组件、交互原理及其在资源管理中的精妙设计。 第一部分：现代操作系统的基石——内核架构与上下文 本书的开篇将系统地介绍操作系统的定义、演进历程及其在整个软件栈中的核心地位。我们将从宏观视角审视单体内核（Monolithic Kernel）、微内核（Microkernel）以及混合内核（Hybrid Kernel）的架构差异和权衡取舍。重点剖析内核模式（Kernel Mode）与用户模式（User Mode）的隔离机制，这是实现系统稳定性和安全性的关键所在。 进程与线程管理：计算的灵魂 理解进程和线程是掌握操作系统的第一步。我们将详细讲解进程控制块（PCB）的数据结构，以及内核如何通过上下文切换（Context Switching）在多个并发执行流之间实现时间片轮转和调度的艺术。本书将深入探讨先进的调度算法，例如分时调度、优先级继承与优先级反转的处理机制，以及实时操作系统（RTOS）的特殊需求。 内存管理：虚拟地址的魔术 内存是系统最宝贵的资源。我们将彻底解析虚拟内存（Virtual Memory）系统的设计，包括页表（Page Table）的结构、多级页表的优化策略，以及如何实现按需调页（Demand Paging）。内存保护机制、缓存一致性（Cache Coherency）在多核系统中的挑战，以及内核如何高效管理物理内存池（如伙伴系统Slab/SLUB分配器），都将在本章得到详尽的阐述。 系统调用接口：用户空间与内核空间的桥梁 系统调用是用户程序与内核交互的唯一合法途径。本书将剖析系统调用机制的实现细节，包括陷入（Trap）指令的执行流程、参数传递的安全性考量，以及Linux的`int 0x80`（传统）与现代的`syscall`指令集加速机制。 第二部分：系统资源的调度与协调 I/O子系统与中断处理 现代计算的速度瓶颈往往在于输入/输出。我们将构建一个完整的I/O模型视图，从中断请求（IRQ）的产生，到中断描述符表（IDT）的处理，再到中断延迟和软中断（SoftIRQs）的应用。对于块设备I/O，本书将详细介绍电梯算法（Elevator Algorithms）在磁盘调度中的应用，以及异步I/O（AIO）如何解放CPU。 文件系统：持久化数据的艺术 文件系统是数据存储的逻辑结构。本书将对比分析不同类型的文件系统（如Ext4、XFS、NTFS）的元数据结构（Inode、超级块等），深入讲解目录查找、文件打开/关闭的内核操作流程。特别关注写时复制（Copy-on-Write, CoW）技术在现代日志文件系统（Journaling File Systems）中的重要性。 进程间通信（IPC）机制 进程间的协作至关重要。我们将系统地梳理各种IPC手段的底层实现：管道（Pipes）、消息队列、共享内存的同步机制（信号量与互斥锁），以及Socket通信在内核中的抽象表示。 第三部分：驱动程序设计与硬件交互 驱动程序概述与架构 驱动程序是操作系统与特定硬件设备沟通的桥梁，是操作系统灵活性的关键。本书将介绍驱动程序的基本框架（如Linux的字符设备驱动、块设备驱动模型），以及设备树（Device Tree）在嵌入式系统中的作用。 同步与并发控制：多核时代的挑战 随着多核CPU的普及，并发编程的难度急剧上升。内核必须依赖复杂的同步原语来保证数据一致性。本章将详尽讲解自旋锁（Spinlocks）、互斥量（Mutexes）、读写锁（RW-Locks）的设计原理和使用场景，以及原子操作（Atomic Operations）在避免竞态条件中的作用。我们将探讨死锁的预防、检测与恢复策略在内核环境下的特殊应用。 模块化与可扩展性 现代内核倾向于模块化设计。我们将学习如何编写和加载内核模块（Kernel Modules），如何在模块中安全地注册设备、处理热插拔事件，以及如何保证模块加载和卸载过程中的系统稳定性。 第四部分：安全机制与内核调试 安全加固与权限控制 操作系统内核必须是不可侵犯的堡垒。本书将探讨安全增强型Linux（SELinux）或Windows的完整性级别（Integrity Levels）等强制访问控制（MAC）模型。我们将分析权限校验（如UID/GID）的实现细节，以及如何通过内核空间的安全审计来防范漏洞。 内核调试与追踪技术 调试内核代码是一项艰巨的任务。本书将介绍使用KDB/KGDB、SystemTap或eBPF等工具进行内核级调试的方法论。如何设置断点、检查内存状态、追踪系统调用路径，以及分析内核崩溃转储（Crash Dumps）将作为实践重点。 面向读者 本书适合于计算机科学专业的学生、嵌入式系统工程师、系统程序员，以及任何渴望超越应用程序层面，深入理解现代计算系统“心脏”跳动方式的资深开发者。阅读本书需要具备C/C++编程基础，并对汇编语言有初步的了解。通过本书的学习，读者将能够从“使用者”转变为“构建者”，真正掌握数字世界的底层逻辑。

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这本书的封面设计得非常朴实，那种经典的蓝白配色，让人一眼就能感受到它浓厚的学术气息。我拿到手的时候，首先被它厚实的纸张和清晰的印刷质量所吸引。打开之后，目录结构清晰明了，章节划分得非常合理，从基础的硬件组成到复杂的系统初始化流程，循序渐进，即便是像我这样对底层技术知之甚少的“小白”，也能大致把握全书的脉络。书中对各种指令集的解释，尤其是那些晦涩难懂的汇编代码片段，作者都用了非常形象的比喻和图示来辅助说明，这点真的非常加分。我记得有一章专门讲内存管理的部分，本来以为会是枯燥的理论堆砌，结果作者巧妙地引入了一个“虚拟城市规划”的模型，瞬间就把复杂的地址映射关系解释得通透了。对于那些希望真正了解计算机是如何“启动”起来的读者来说，这本书提供的知识深度是相当扎实的，它不像市面上很多快餐式的教程，只告诉你“怎么做”，而是深入探究了“为什么会这样”。阅读体验上，我建议初学者最好能配合一台老旧的PC或者虚拟机环境，边看边敲，这样吸收效果会更好。总的来说，这本书的定位非常精准，它就像一位耐心十足的导师，在你探索计算机核心奥秘的旅程中，为你铺设了一条坚实可靠的基石。

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对于那些已经工作多年的资深程序员，尤其是习惯了高级语言抽象层的技术人员，这本书提供了一个宝贵的“反向工程”视角。它强迫你跳出舒适区，去直面那些被现代工具链隐藏起来的底层细节。我记得有一次在调试一个非常奇怪的系统挂起问题，常规的内存转储分析毫无头绪。后来翻阅到书中关于SMM（系统管理模式）和中断向量表的章节，突然灵光一闪，意识到可能是某个低优先级中断被不当地拦截了。这本书的价值就在于，它为你提供了一整套底层世界的“世界观”，当上层逻辑发生异常时，你能够迅速回溯到最基础的硬件交互层面去寻找病灶。书中的示例代码虽然基于较早的架构，但其核心思想——如何与硬件寄存器打交道、如何管理初始化顺序——是完全通用的。它不是一本教会你编程的书，而是一本教会你“思考计算机如何启动”的书。阅读过程中，我不得不经常停下来，打开虚拟机查看实际的硬件手册进行交叉验证，这反而加深了我的理解，因为它鼓励了一种主动探索的学习方式，而不是被动接受。

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这本书的排版和装帧设计透露出一种强烈的实用主义色彩，几乎没有花哨的装饰，每一页都是满满的干货。我个人最欣赏的是它在讲解复杂流程时所采用的“分层解析法”。它不会一开始就把整个复杂的初始化流程丢给你，而是像剥洋葱一样，一层一层剥开。比如，在解释CPU如何从实模式切换到保护模式时，作者先用一个高度简化的伪代码流程图让你有个宏观印象，然后再针对性地深入讲解GDT（全局描述符表）的构建、页表的初始化等关键步骤。这种结构化的学习路径，极大地降低了认知负荷。我过去尝试阅读其他资料理解保护模式切换时总是迷失在细节里，但这本书却能始终把细节锚定在一个清晰的全局框架之下。此外，书中对各种错误代码的解读也是一绝，它不仅仅是简单地罗列错误码，还结合实际的硬件故障场景进行分析，这对于现场排除故障的工程师来说，具有极高的实战价值。这本书的价值不在于教会你如何快速搭建一个现代的UEFI系统，而在于让你深刻理解为什么早期的BIOS会是现在这个样子，它承载了计算机最初的设计哲学。

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坦白说，我购买这本书的时候是带着一丝怀疑的，毕竟“入门宝典”这四个字在技术书籍里常常意味着内容浅尝辄止。然而，实际阅读下来，我的看法完全被颠覆了。这本书的叙述风格非常老派，但正是这种老派，带来了一种久经考验的可靠性。它没有追逐最新的技术热点，而是专注于那些经过时间沉淀、构筑了现代计算基石的核心原理。比如，在讲解POST（开机自检）流程时，作者花费了极大的篇幅去剖析每一个检查点的意义，甚至追溯到了早期的BIOS设计规范，那种对历史脉络的尊重和细致的考据，让人油然而生敬意。书中对寄存器操作和端口I/O的讲解，精确到了每一个比特位的含义，这对于那些想进行底层驱动开发或者系统调试的人来说，简直是如获至宝。唯一的“缺点”，或许是对于完全没有硬件基础的读者来说，前期的阅读门槛稍高，需要一定的毅力去啃下那些基础的电气和逻辑电路概念。但一旦跨过这道坎，后面的内容就会豁然开朗，你会发现自己对PC的理解上升到了一个新的维度，不再满足于操作系统表面提供的抽象接口。这本书更像是一本“内功心法”，是扎根于计算机科学最深处的一本优秀教材。

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这本书的语言风格极其严谨，几乎没有冗余的形容词或情绪化的表达，完全是教科书式的陈述，但这恰恰是其魅力所在。它的可信度极高，就像一份经过严格审核的技术规范文档。我特别喜欢书中对不同厂商BIOS实现差异性的探讨。作者并未将某一特定厂商的实现奉为圭臬，而是深入分析了AMI、Phoenix等主流BIOS供应商在处理某些初始化环节时的不同策略，并对比了它们在效率和兼容性上的权衡。这种中立且深入的比较分析，让读者能够建立起对整个BIOS生态的宏观认知，而不是局限于某一狭隘的实现细节。对于希望从事固件开发、嵌入式系统或者需要维护遗留系统的专业人士而言，这本书提供了必要的理论深度和广度。它告诉你的，是关于计算启动过程的“不变的真理”，而非昙花一现的“流行做法”。读完这本书，你对计算机启动时那几秒钟内发生的“魔法”，会有一个清晰、理性且深刻的理解，这比任何花哨的动画演示都要来得实在和持久。

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