第0章 一些你可能正感到迷惑的問題 1
0.1 操作係統是什麼 1
0.2 你想研究到什麼程度 2
0.3 寫操作係統，哪些需要我來做 2
0.4 軟件是如何訪問硬件的 2
0.5 應用程序是什麼，和操作係統是如何
配閤到一起的 3
0.6 為什麼稱為“陷入”內核 4
0.7 內存訪問為什麼要分段 4
0.8 代碼中為什麼分為代碼段、數據段？
這和內存訪問機製中的段是一迴事嗎 6
0.9 物理地址、邏輯地址、有效地址、綫性
地址、虛擬地址的區彆 11
0.10 什麼是段重疊 12
0.11 什麼是平坦模型 12
0.12 cs、ds這類sreg段寄存器，位寬是
多少 12
0.13 什麼是工程，什麼是協議 13
0.14 為什麼Linux係統下的應用程序不能在
Windows係統下運行 14
0.15 局部變量和函數參數為什麼要放在
棧中 14
0.16 為什麼說匯編語言比C語言快 15
0.17 先有的語言，還是先有的編譯器，第1個
編譯器是怎麼産生的 16
0.18 編譯型程序與解釋型程序的區彆 19
0.19 什麼是大端字節序、小端字節序 19
0.20 BIOS中斷、DOS中斷、Linux中斷的
區彆 21
0.21 Section和Segment的區彆 25
0.22 什麼是魔數 29
0.23 操作係統是如何識彆文件係統的 30
0.24 如何控製CPU的下一條指令 30
0.25 指令集、體係結構、微架構、編程
語言 30
0.26 庫函數是用戶進程與內核的橋梁 33
0.27 轉義字符與ASCII碼 37
0.28 MBR、EBR、DBR和OBR各是
什麼 39
第1章 部署工作環境 42
1.1 工欲善其事，必先利其器 42
1.2 我們需要哪些編譯器 42
1.2.1 世界頂級編譯器GCC 42
1.2.2 匯編語言編譯器新貴NASM 43
1.3 操作係統的宿主環境 43
1.3.1 什麼是虛擬機 44
1.3.2 盜夢空間般的開發環境，虛擬機
中再裝一個虛擬機 45
1.3.3 virtualBox下載，安裝 46
1.3.4 Linux發行版下載 46
1.3.5 Bochs下載安裝 46
1.4 配置bochs 48
1.5 運行bochs 49
第2章 編寫MBR主引導記錄，讓我們開始
掌權 52
2.1 計算機的啓動過程 52
2.2 軟件接力第一棒，BIOS 52
2.2.1 實模式下的1MB內存布局 52
2.2.2 BIOS是如何蘇醒的 54
2.2.3 為什麼是0x7c00 56
2.3 讓MBR先飛一會兒 58
2.3.1 神奇好用的$和$$，令人迷惑的
section 58
2.3.2 NASM簡單用法 60
2.3.3 請下一位選手MBR同學做
準備 60
第3章 完善MBR 65
3.1 地址、section、vstart淺嘗輒止 65
3.1.1 什麼是地址 65
3.1.2 什麼是section 67
3.1.3 什麼是vstart 68
3.2 CPU的實模式 70
3.2.1 CPU的工作原理 71
3.2.2 實模式下的寄存器 72
3.2.3 實模式下內存分段由來 76
3.2.4 實模式下CPU內存尋址方式 78
3.2.5 棧到底是什麼玩意兒 81
3.2.6 實模式下的ret 84
3.2.7 實模式下的call 85
3.2.8 實模式下的jmp 92
3.2.9 標誌寄存器flags 97
3.2.10 有條件轉移 99
3.2.11 實模式小結 101
3.3 讓我們直接對顯示器說點什麼吧 101
3.3.1 CPU如何與外設通信—IO
接口 101
3.3.2 顯卡概述 105
3.3.3 顯存、顯卡、顯示器 106
3.3.4 改進MBR，直接操作顯卡 110
3.4 bochs調試方法 112
3.4.1 bochs一般用法 113
3.4.2 bochs調試實例 118
3.5 硬盤介紹 122
3.5.1 硬盤發展簡史 122
3.5.2 硬盤工作原理 123
3.5.3 硬盤控製器端口 126
3.5.4 常用的硬盤操作方法 128
3.6 讓MBR使用硬盤 129
3.6.1 改造MBR 130
3.6.2 實現內核加載器 134
第4章 保護模式入門 136
4.1 保護模式概述 136
4.1.1 為什麼要有保護模式 136
4.1.2 實模式不是32位CPU，變成瞭
16位 137
4.2 初見保護模式 137
4.2.1 保護模式之寄存器擴展 137
4.2.2 保護模式之尋址擴展 140
4.2.3 保護模式之運行模式反轉 141
4.2.4 保護模式之指令擴展 145
4.3 全局描述符錶 150
4.3.1 段描述符 150
4.3.2 全局描述符錶GDT、局部描述
符錶LDT及選擇子 155
4.3.3 打開A20地址綫 157
4.3.4 保護模式的開關，CR0寄存器的
PE位 158
4.3.5 讓我們進入保護模式 158
4.4 處理器微架構簡介 165
4.4.1 流水綫 166
4.4.2 亂序執行 168
4.4.3 緩存 168
4.4.4 分支預測 169
4.5 使用遠跳轉指令清空流水綫，更新段描述
符緩衝寄存器 172
4.6 保護模式之內存段的保護 173
4.6.1 嚮段寄存器加載選擇子時的
保護 173
4.6.2 代碼段和數據段的保護 174
4.6.3 棧段的保護 175
第5章 保護模式進階，嚮內核邁進 177
5.1 獲取物理內存容量 177
5.1.1 學習Linux獲取內存的方法 177
5.1.2 利用BIOS中斷0x15子功能
0xe820獲取內存 177
5.1.3 利用BIOS中斷0x15子功能
0xe801獲取內存 179
5.1.4 利用BIOS中斷0x15子功能
0x88獲取內存 180
5.1.5 實戰內存容量檢測 181
5.2 啓用內存分頁機製，暢遊虛擬空間 186
5.2.1 內存為什麼要分頁 186
5.2.2 一級頁錶 188
5.2.3 二級頁錶 192
5.2.4 規劃頁錶之操作係統與用戶
進程的關係 197
5.2.5 啓用分頁機製 198
5.2.6 用虛擬地址訪問頁錶 204
5.2.7 快錶TLB（Translation Lookaside
Buffer）簡介 206
5.3 加載內核 207
5.3.1 用C語言寫內核 207
5.3.2 二進製程序的運行方法 211
5.3.3 elf格式的二進製文件 213
5.3.4 elf文件實例分析 218
5.3.5 將內核載入內存 222
5.4 特權級深入淺齣 229
5.4.1 特權級那點事 229
5.4.2 TSS簡介 230
5.4.3 CPL和DPL入門 232
5.4.4 門、調用門與RPL序 235
5.4.5 調用門的過程保護 240
5.4.6 RPL的前世今生 243
5.4.7 IO特權級 248
第6章 完善內核 252
6.1 函數調用約定簡介 252
6.2 匯編語言和C語言混閤編程 256
6.2.1 淺析C庫函數與係統調用 256
6.2.2 匯編語言和C語言共同協作 259
6.3 實現自己的打印函數 261
6.3.1 顯卡的端口控製 261
6.3.2 實現單個字符打印 265
6.3.3 實現字符串打印 275
6.3.4 實現整數打印 277
6.4 內聯匯編 281
6.4.1 什麼是內聯匯編 281
6.4.2 匯編語言AT&T語法簡介 281
6.4.3 基本內聯匯編 283
6.4.4 擴展內聯匯編 284
6.4.5 擴展內聯匯編之機器模式簡介 294
第7章 中斷 298
7.1 中斷是什麼，為什麼要有中斷 298
7.2 操作係統是中斷驅動的 299
7.3 中斷分類 299
7.3.1 外部中斷 299
7.3.2 內部中斷 301
7.4 中斷描述符錶 304
7.4.1 中斷處理過程及保護 306
7.4.2 中斷發生時的壓棧 308
7.4.3 中斷錯誤碼 310
7.5 可編程中斷控製器8259A 311
7.5.1 8259A介紹 311
7.5.2 8259A的編程 314
7.6 編寫中斷處理程序 319
7.6.1 從最簡單的中斷處理程序
開始 319
7.6.2 改進中斷處理程序 335
7.6.3 調試實戰：處理器進入中斷時
壓棧齣棧完整過程 339
7.7 可編程計數器/定時器8253簡介 346
7.7.1 時鍾—給設備打拍子 346
7.7.2 8253入門 348
7.7.3 8253控製字 349
7.7.4 8253工作方式 350
7.7.5 8253初始化步驟 353
7.8 提高時鍾中斷的頻率，讓中斷來得更
猛烈一些 354
第8章 內存管理係統 357
8.1 makefile簡介 357
8.1.1 makefile是什麼 357
8.1.2 makefile基本語法 358
8.1.3 跳到目標處執行 360
8.1.4 僞目標 361
8.1.5 make：遞歸式推導目標 362
8.1.6 自定義變量與係統變量 363
8.1.7 隱含規則 365
8.1.8 自動化變量 366
8.1.9 模式規則 367
8.2 實現assert斷言 367
8.2.1 實現開、關中斷的函數 367
8.2.2 實現ASSERT 370
8.2.3 通過makefile來編譯 372
8.3 實現字符串操作函數 374
8.4 位圖bitmap及其函數的實現 377
8.4.1 位圖簡介 377
8.4.2 位圖的定義與實現 378
8.5 內存管理係統 381
8.5.1 內存池規劃 381
8.5.2 內存管理係統第一步，分配頁
內存 388
第9章 綫程 398
9.1 實現內核綫程 398
9.1.1 執行流 398
9.1.2 綫程到底是什麼 399
9.1.3 進程與綫程的關係、區彆簡述 402
9.1.4 進程、綫程的狀態 405
9.1.5 進程的身份證—PCB 405
9.1.6 實現綫程的兩種方式—內核或
用戶進程 406
9.2 在內核空間實現綫程 409
9.2.1 簡單的PCB及綫程棧的實現 409
9.2.2 綫程的實現 413
9.3 核心數據結構，雙嚮鏈錶 417
9.4 多綫程調度 421
9.4.1 簡單優先級調度的基礎 421
9.4.2 任務調度器和任務切換 425
第10章 輸入輸齣係統 439
10.1 同步機製——鎖 439
10.1.1 排查GP異常，理解原子操作 439
10.1.2 找齣代碼中的臨界區、互斥、
競爭條件 444
10.1.3 信號量 445
10.1.4 綫程的阻塞與喚醒 447
10.1.5 鎖的實現 449
10.2 用鎖實現終端輸齣 452
10.3 從鍵盤獲取輸入 456
10.3.1 鍵盤輸入原理簡介 456
10.3.2 鍵盤掃描碼 457
10.3.3 8042簡介 463
10.3.4 測試鍵盤中斷處理程序 465
10.4 編寫鍵盤驅動 468
10.4.1 轉義字符介紹 468
10.4.2 處理掃描碼 469
10.5 環形輸入緩衝區 476
10.5.1 生産者與消費者問題簡述 476
10.5.2 環形緩衝區的實現 478
10.5.3 添加鍵盤輸入緩衝區 481
10.5.4 生産者與消費者實例測試 482
第11章 用戶進程 485
11.1 為什麼要有任務狀態段TSS 485
11.1.1 多任務的起源，很久很久
以前…… 485
11.1.2 LDT簡介 486
11.1.3 TSS的作用 488
11.1.4 CPU原生支持的任務切換
方式 492
11.1.5 現代操作係統采用的任務
切換方式 495
11.2 定義並初始化TSS 497
11.3 實現用戶進程 501
11.3.1 實現用戶進程的原理 501
11.3.2 用戶進程的虛擬地址空間 501
11.3.3 為進程創建頁錶和3特權
級棧 502
11.3.4 進入特權級3 505
11.3.5 用戶進程創建的流程 506
11.3.6 實現用戶進程—上 507
11.3.7 bss簡介 513
11.3.8 實現用戶進程—下 515
11.3.9 讓進程跑起來—用戶進程的
調度 519
11.3.10 測試用戶進程 520
第12章 進一步完善內核 523
12.1 Linux係統調用淺析 523
12.2 係統調用的實現 527
12.2.1 係統調用實現框架 527
12.2.2 增加0x80號中斷描述符 527
12.2.3 實現係統調用接口 528
12.2.4 增加0x80號中斷處理例程 528
12.2.5 初始化係統調用和實現
sys_getpid 530
12.2.6 添加係統調用getpid 531
12.2.7 在用戶進程中的係統調用 532
12.2.8 係統調用之棧傳遞參數 534
12.3 讓用戶進程“說話” 536
12.3.1 可變參數的原理 536
12.3.2 實現係統調用write 538
12.3.3 實現printf 539
12.3.4 完善printf 542
12.4 完善堆內存管理 545
12.4.1 malloc底層原理 545
12.4.2 底層初始化 548
12.4.3 實現sys_malloc 550
12.4.4 內存的釋放 555
12.4.5 實現sys_free 558
12.4.6 實現係統調用malloc和free 562
第13章 編寫硬盤驅動程序 566
13.1 硬盤及分區錶 566
13.1.1 創建從盤及獲取安裝的
磁盤數 566
13.1.2 創建磁盤分區錶 567
13.1.3 磁盤分區錶淺析 571
13.2 編寫硬盤驅動程序 578
13.2.1 硬盤初始化 578
13.2.2 實現thread_yield和idle綫程 582
13.2.3 實現簡單的休眠函數 584
13.2.4 完善硬盤驅動程序 585
13.2.5 獲取硬盤信息，掃描分區錶 590
第14章 文件係統 595
14.1 文件係統概念簡介 595
14.1.1 inode、間接塊索引錶、文件
控製塊FCB簡介 595
14.1.2 目錄項與目錄簡介 597
14.1.3 超級塊與文件係統布局 599
14.2 創建文件係統 601
14.2.1 創建超級塊、i結點、目錄項 601
14.2.2 創建文件係統 603
14.2.3 掛載分區 609
14.3 文件描述符簡介 612
14.3.1 文件描述符原理 612
14.3.2 文件描述符的實現 614
14.4 文件操作相關的基礎函數 615
14.4.1 inode操作有關的函數 616
14.4.2 文件相關的函數 620
14.4.3 目錄相關的函數 623
14.4.4 路徑解析相關的函數 628
14.4.5 實現文件檢索功能 630
14.5 創建文件 633
14.5.1 實現file_create 633
14.5.2 實現sys_open 636
14.5.3 在文件係統上創建第1個
文件 639
14.6 文件的打開與關閉 640
14.6.1 文件的打開 640
14.6.2 文件的關閉 642
14.7 實現文件寫入 643
14.7.1 實現file_write 643
14.7.2 改進sys_write及write係統
調用 648
14.7.3 把數據寫入文件 650
14.8 讀取文件 651
14.8.1 實現file_read 651
14.8.2 實現sys_read與功能驗證 653
14.9 實現文件讀寫指針定位功能 655
14.10 實現文件刪除功能 657
14.10.1 迴收inode 657
14.10.2 刪除目錄項 660
14.10.3 實現sys_unlink與功能驗證 663
14.11 創建目錄 665
14.11.1 實現sys_mkdir創建目錄 666
14.11.2 創建目錄功能驗證 669
14.12 遍曆目錄 671
14.12.1 打開目錄和關閉目錄 671
14.12.2 讀取1個目錄項 673
14.12.3 實現sys_readdir及sys_
rewinddir 674
14.13 刪除目錄 676
14.13.1 刪除目錄與判斷空目錄 676
14.13.2 實現sys_rmdir及功能驗證 677
14.14 任務的工作目錄 679
14.14.1 顯示當前工作目錄的原理及
基礎代碼 679
14.14.2 實現sys_getcwd 681
14.14.3 實現sys_chdir改變工作目錄 683
14.15 獲得文件屬性 684
14.15.1 ls命令的幕後功臣 684
14.15.2 實現sys_stat 685
第15章 係統交互 687
15.1 fork的原理與實現 687
15.1.1 什麼是fork 687
15.1.2 fork的實現 689
15.1.3 添加fork係統調用與實現init
進程 695
15.2 添加read係統調用，獲取鍵盤輸入 696
15.3 添加putchar、clear係統調用 697
15.4 實現一個簡單的shell 699
15.4.1 shell雛形 699
15.4.2 添加Ctrl+u和Ctrl+l快捷鍵 701
15.4.3 解析鍵入的字符 703
15.4.4 添加係統調用 705
15.4.5 路徑解析轉換 708
15.4.6 實現ls、cd、mkdir、ps、rm等
命令 712
15.5 加載用戶進程 717
15.5.1 實現exec 717
15.5.2 讓shell支持外部命令 723
15.5.3 加載硬盤上的用戶程序執行 724
15.5.4 使用戶進程支持參數 727
15.6 實現係統調用wait和exit 731
15.6.1 wait和exit的作用 731
15.6.2 孤兒進程和僵屍進程 732
15.6.3 一些基礎代碼 733
15.6.4 實現wait和exit 737
15.6.5 實現cat命令 741
15.7 管道 745
15.7.1 管道的原理 745
15.7.2 管道的設計 747
15.7.3 管道的實現 748
15.7.4 利用管道實現進程間通信 752
15.7.5 在shell中支持管道 754
參考文獻 760
· · · · · · (收起)