一个64位操作系统的设计与实现 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:人民邮电出版社

作者:田宇

出品人:

页数:692

译者:

出版时间:2018-5

价格:139.00元

装帧:平装

isbn号码:9787115475251

丛书系列:图灵原创

图书标签:

操作系统
计算机
Linux/Unix
计算机科学
程序设计
自制
图灵系列
计算科学
操作系统设计
64位架构
系统实现
计算机科学
软件工程
内核开发
实时系统
高性能计算
嵌入式系统
计算机体系结构

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具体描述

本书讲述了一个64位多核操作系统的自制过程。此操作系统自制过程是先从虚拟平台构筑起一个基础框架，随后再将基础框架移植到物理平台中进行升级、完善与优化。为了凸显64位多核操作系统的特点，物理平台选用搭载着Intel Core-i7处理器的笔记本电脑。与此同时，本书还将Linux内核的源码精髓、诸多官方白皮书以及多款常用协议浓缩于其中，可使读者在读完本书后能够学以致用，进而达到理论联系实际的目的。

全书共分为16章。第1~2章讲述了操作系统的基础概念和开发操作系统需要掌握的知识；第3~5章在虚拟平台下快速构建起一个操作系统模型；第6~16章将在物理平台下对操作系统模型做进一步升级、优化和完善。

本书既适合在校学习理论知识的初学者，又适合在职工作的软件工程师或有一定基础的业余爱好者。

好的，这里为您构思一份针对一本名为《一个64位操作系统的设计与实现》的书籍的图书简介。这份简介将聚焦于操作系统设计的核心理念、底层结构、关键技术及其对现代计算环境的影响，同时确保内容详实、专业且富有吸引力，完全不涉及该书的具体内容。 --- 图书名称：《一个64位操作系统的设计与实现》图书简介在信息技术飞速发展的今天，操作系统（OS）作为连接硬件与应用软件的桥梁，其底层架构的稳健性与高效性，直接决定了整个计算系统的性能极限。本书旨在深入探讨现代操作系统设计的核心原理、关键技术路径以及工程实践中的权衡取舍，构建一个面向未来的、高性能的64位计算平台基础框架。我们脱离了特定平台的束缚，专注于操作系统从概念诞生到具体实现的完整生命周期，为读者提供一套系统化、可复用的设计思想和实现蓝图。第一部分：操作系统的基石——抽象与结构现代操作系统不再是单一的庞大代码块，而是基于精妙的抽象层级构建的复杂系统。本书首先从操作系统最基本的职责——资源管理和抽象封装——切入。我们将详细剖析处理器管理（进程与线程模型）、内存管理（地址空间、虚拟内存、分页与分段机制）以及并发与同步机制的理论基础。重点关注64位架构带来的内存寻址空间爆炸性增长，以及这对传统内存管理策略提出的全新挑战。读者将学习如何设计和实现一套高效的页表结构，以应对TB级甚至PB级的虚拟地址空间管理。同时，我们深入探讨了并发编程中的核心难题：死锁、活锁与竞态条件，并阐述了如何利用原子操作、互斥锁、信号量、条件变量以及更高级的内存屏障（Memory Barrier）等工具，构建健壮的并发控制原语。这部分内容不仅是理论的阐述，更是对多核、多处理器环境下系统级编程范式的深刻理解。第二部分：硬件交互与特权级编程操作系统的心脏在于对底层硬件的直接控制。本书将详细解析处理器工作模式的切换、中断与异常处理的机制，这是操作系统实现特权级隔离（如用户态与内核态）的关键。特别是在64位体系结构下，新的指令集扩展（如SIMD、虚拟化辅助指令）如何被有效地纳入操作系统调度和I/O操作中，是衡量一个现代OS设计先进性的重要指标。我们将着墨于中断描述符表（IDT）或等效结构的构建，以及如何设计一个高效、低延迟的中断服务例程（ISR）。对于I/O子系统的设计，本书将从传统的轮询、中断驱动模型，过渡到更现代的、基于DMA（直接内存访问）和事件驱动的异步I/O模型。理解这些底层交互，是实现高性能设备驱动和文件系统的先决条件。第三部分：高效的进程与任务调度调度器是操作系统的灵魂，它决定了系统资源分配的公平性、实时性和吞吐量。本书将超越经典的先来先服务（FCFS）和时间片轮转（Round Robin）算法，深入研究那些专为多核和异构计算环境优化的调度策略。我们将对比分析抢占式、非抢占式调度器的优劣，并探讨负载均衡（Load Balancing）在SMP（对称多处理）系统中的复杂性。讨论的重点将包括如何设计一个能够有效支持实时性要求的调度算法，例如，如何处理硬实时任务与普通任务的混合调度。同时，现代系统对节能和功耗管理的需求日益增加，本书也将探讨如何将调度决策与CPU频率/电压调节（DVFS）相结合，实现性能与能效的动态平衡。第四部分：虚拟内存与持久化存储虚拟内存管理是现代操作系统最精妙的设计之一。本书将详细剖析地址翻译过程，从虚拟地址到物理地址的映射，如何通过多级页表高效实现。我们将探讨页面置换算法的演进，如何通过引入“脏位”和“使用位”等硬件辅助信息，优化FIFO、LRU的近似实现。文件系统是用户感知到的主要持久化接口。本书将系统地介绍不同类型文件系统的设计哲学，包括日志型文件系统（Journaling）的可靠性机制、写时复制（Copy-on-Write）技术在快照和数据完整性中的应用。读者将学习如何设计一个高效的缓冲区缓存（Buffer Cache）和数据访问层，以最小化对慢速物理存储的访问延迟，并确保在系统崩溃时数据的最小丢失。第五部分：系统安全与隔离在网络化和虚拟化的今天，安全性是操作系统的生命线。本书将从系统启动链条的安全（Boot Security）开始，探讨如何通过硬件信任根（Root of Trust）保证操作系统内核的完整性。在运行时，我们将深入研究内存保护机制，包括如何利用硬件特性（如NX/XD位）防御缓冲区溢出攻击，以及如何实现地址空间布局随机化（ASLR）以增加攻击难度。此外，多用户、多租户环境要求严格的权限分离。我们将探讨访问控制列表（ACLs）、能力列表（Capabilities）等不同的授权模型，并分析如何构建一个最小权限原则的内核，以限制内核组件自身的安全边界。面向读者本书面向所有希望深入理解操作系统底层机制的计算机科学专业学生、系统程序员、嵌入式开发人员，以及希望构建或定制下一代64位计算平台的架构师。阅读本书，您将获得一套完整的设计工具箱和一套批判性的系统思维，从而能够从根本上掌握现代计算系统的运行规律，并有能力设计和实现一个高效、安全、可扩展的操作系统核心。我们提供的不是对某个现有系统的模仿，而是构建任何高性能64位操作系统的通用设计哲学。

作者简介

田宇

Linux内核爱好者，曾在多家大中型软件公司从事软件开发工作，参与过多款高端嵌入式产品的开发研制，主要负责Linux内核和驱动的研发，以及开源操作系统环境的深度定制。

目录信息

第一部分　操作系统相关知识介绍及环境搭建
第1章　操作系统概述　　4
1.1　什么是操作系统　　4
1.2　操作系统的组成结构　　4
1.3　编写操作系统需要的知识　　7
1.4　本书操作系统简介　　8
第2章　环境搭建及基础知识　　9
2.1　虚拟机及开发系统平台介绍　　9
2.1.1　VMware的安装　　9
2.1.2　编译环境CentOS 6　　10
2.1.3　Bochs虚拟机　　11
2.2　汇编语言　　14
2.2.1　AT&T汇编语言格式与Intel汇编语言格式　　14
2.2.2　NASM编译器　　16
2.2.3　使用汇编语言调用C语言的函数　　16
2.3　C语言　　19
2.3.1　GNU C内嵌汇编语言　　20
2.3.2　GNU C语言对标准C语言的扩展　　23
第二部分　初级篇
第3章　BootLoader引导启动程序　　30
3.1　Boot引导程序　　30
3.1.1　BIOS引导原理　　31
3.1.2　写一个Boot引导程序　　32
3.1.3　创建虚拟软盘镜像文件　　36
3.1.4　在Bochs上运行我们的Boot程序　　38
3.1.5　加载Loader到内存　　40
3.1.6　从Boot跳转到Loader程序　　52
3.2　Loader引导加载程序　　54
3.2.1　Loader原理　　54
3.2.2　写一个Loader程序　　55
3.2.3　从实模式进入保护模式再到IA-32e模式　　65
3.2.4　从Loader跳转到内核程序　　75
第4章　内核层　　78
4.1　内核执行头程序　　78
4.1.1　什么是内核执行头程序　　78
4.1.2　写一个内核执行头程序　　79
4.2　内核主程序　　83
4.3　屏幕显示　　85
4.3.1　在屏幕上显示色彩　　86
4.3.2　在屏幕上显示log　　88
4.4　系统异常　　100
4.4.1　异常的分类　　101
4.4.2　系统异常处理（一）　　102
4.4.3　系统异常处理（二）　　109
4.5　初级内存管理单元　　121
4.5.1　获得物理内存信息　　121
4.5.2　计算可用物理内存页数　　123
4.5.3　分配可用物理内存页　　126
4.6　中断处理　　142
4.6.1　8259A PIC　　142
4.6.2　触发中断　　148
4.7　键盘驱动　　152
4.7.1　简述键盘功能　　152
4.7.2　实现键盘中断捕获函数　　154
4.8　进程管理　　155
4.8.1　简述进程管理模块　　155
4.8.2　PCB　　156
4.8.3　init进程　　163
第5章　应用层　　171
5.1　跳转到应用层　　171
5.2　实现系统调用API　　180
5.3　实现一个系统调用处理函数　　185
第三部分　高级篇
第6章　处理器体系结构　　190
6.1　基础功能与新特性　　190
6.1.1　运行模式　　190
6.1.2　通用寄存器　　191
6.1.3　CPUID指令　　192
6.1.4　标志寄存器EFLAGS　　193
6.1.5　控制寄存器　　195
6.1.6　MSR寄存器组　　199
6.2　地址空间　　199
6.2.1　虚拟地址　　200
6.2.2　物理地址　　200
6.3　实模式　　200
6.3.1　实模式概述　　201
6.3.2　实模式的段寻址方式　　201
6.3.3　实模式的中断向量表　　201
6.4　保护模式　　202
6.4.1　保护模式概述　　202
6.4.2　保护模式的段管理机制　　206
6.4.3　保护模式的中断/异常处理机制　　214
6.4.4　保护模式的页管理机制　　217
6.4.5　保护模式的地址转换过程　　224
6.5　IA-32e模式　　226
6.5.1　IA-32e模式概述　　226
6.5.2　IA-32e模式的段管理机制　　228
6.5.3　IA-32e模式的中断/异常处理机制　　234
6.5.4　IA-32e模式的页管理机制　　234
6.5.5　IA-32e模式的地址转换过程　　237
第7章　完善BootLoader功能　　238
7.1　实模式的寻址瓶颈　　238
7.1.1　错综复杂的1 MB物理地址空间　　238
7.1.2　突破1 MB物理内存瓶颈　　239
7.1.3　实模式下的4 GB线性地址寻址　　240
7.2　获取物理地址空间信息　　240
7.3　操作系统引导加载阶段的内存空间划分　　242
7.4　U盘启动　　244
7.4.1　USB-FDD、USB-ZIP和USB-HDD启动模式的简介　　244
7.4.2　将Boot引导程序移植到U盘中启动　　251
7.5　在物理平台上启动操作系统　　255
7.6　细说VBE功能的实现　　261
7.6.1　VBE规范概述　　261
7.6.2　获取物理平台的VBE相关信息　　272
7.6.3　设置显示模式　　279
第8章　内核主程序　　282
8.1　内核主程序功能概述　　282
8.2　操作系统的Makefile编译脚本　　282
8.3　操作系统的kernel.lds链接脚本　　286
8.4　操作系统的线性地址空间划分　　289
8.5　获得处理器的固件信息　　290
第9章　高级内存管理单元　　297
9.1　SLAB内存池　　297
9.1.1　SLAB内存池概述及相关结构体定义　　298
9.1.2　SLAB内存池的创建与销毁　　299
9.1.3　SLAB内存池中对象的分配与回收　　302
9.2　基于SLAB内存池技术的通用内存管理单元　　308
9.2.1　通用内存管理单元的初始化函数slab_init　　308
9.2.2　通用内存的分配函数kmalloc　　312
9.2.3　通用内存的回收函数kfree　　317
9.3　调整物理页管理功能　　321
9.3.1　内存管理单元结构及相关函数调整　　321
9.3.2　调整alloc_pages函数　　323
9.3.3　创建free_pages函数　　327
9.4　页表初始化　　330
9.4.1　页表重新初始化　　331
9.4.2　VBE帧缓存区地址重映射　　334
第10章　高级中断处理单元　　337
10.1　APIC概述　　337
10.2　Local APIC　　338
10.2.1　Local APIC的基础信息　　338
10.2.2　Local APIC整体结构及各功能描述　　344
10.3　I/O APIC　　352
10.3.1　I/O APIC控制器的基础信息　　353
10.3.2　I/O APIC整体结构及各引脚功能　　356
10.4　中断控制器的模式选择与初始化　　358
10.4.1　中断模式　　359
10.4.2　Local APIC控制器的初始化　　362
10.4.3　I/O APIC控制器的初始化　　368
10.5　高级中断处理功能　　375
10.5.1　Linux的中断处理机制概述　　375
10.5.2　实现中断上半部处理功能　　377
第11章　设备驱动程序　　382
11.1　键盘和鼠标驱动程序　　382
11.1.1　键盘和鼠标控制器　　382
11.1.2　完善键盘驱动　　389
11.1.3　实现鼠标驱动　　398
11.2　硬盘驱动程序　　403
11.2.1　硬盘设备初探　　403
11.2.2　完善硬盘驱动程序　　418
第12章　进程管理　　428
12.1　进程管理单元功能概述　　428
12.2　多核处理器　　429
12.2.1　超线程技术与多核技术概述　　429
12.2.2　多核处理器间的IPI通信机制介绍　　434
12.2.3　让我们的系统支持多核　　437
12.3　进程调度器　　464
12.3.1　Linux进程调度器简介　　465
12.3.2　墙上时钟与定时器　　468
12.3.3　内核定时器　　479
12.3.4　实现进程调度功能　　486
12.4　内核同步方法　　498
12.4.1　原子变量　　498
12.4.2　信号量　　499
12.4.3　完善自旋锁　　501
12.5　完善进程管理单元　　503
12.5.1　完善PCB与处理器运行环境　　503
12.5.2　完善进程调度器和AP处理器引导程序　　508
12.5.3　关于线程　　514
第13章　文件系统　　516
13.1　文件系统概述　　516
13.2　解析FAT32文件系统　　517
13.2.1　FAT32文件系统简介　　517
13.2.2　通过实例深入解析FAT32文件系统　　523
13.2.3　实现基于路径名的文件系统检索功能　　532
13.3　虚拟文件系统　　552
13.3.1　Linux VFS简介　　552
13.3.2　实现VFS　　554
第14章　系统调用API库　　566
14.1　系统调用API结构　　566
14.2　基于POSIX规范实现系统调用API库　　567
14.2.1　POSIX规范下的系统调用API简介　　567
14.2.2　升级系统调用模块　　568
14.2.3　基础文件操作的系统调用API实现　　574
14.2.4　进程创建的系统调用API实现　　599
14.2.5　内存管理的基础系统调用API实现　　618
第15章　Shell命令解析器及命令　　626
15.1　Shell命令解析器　　626
15.1.1　Shell命令解析器概述　　626
15.1.2　实现Shell命令解析器　　627
15.2　基础命令　　641
15.2.1　重启命令reboot　　641
15.2.2　工作目录切换命令cd　　642
15.2.3　目录内容显示命令ls　　645
15.2.4　文件查看命令cat　　654
15.2.5　程序执行命令exec　　655
第16章　一个彩蛋　　665
附录　术语表　　676
参考资料　　679
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

本书对会讲很多的细节，也帮忙整理了资料，查阅起来很方便。它的问题我觉得就是代码的注释太少了，也许之前有解释过为什么这么写，但是后面再遇到的时候就不解释了，我也不是超忆症，所以遇到这些没有解释的代码而我又正好忘记了之前解释过，我就会花很多时间去想为什么代码要...

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

从实用性的角度来看，这本书的价值几乎是无可估量的。它不仅仅停留在理论层面，而是大量地植入了“如何做”的实践指导。书中对各种关键子系统的剖析，例如虚拟内存管理中的页表结构优化、I/O 调度的公平性算法分析，都配有详尽的伪代码和结构体定义，这使得读者在阅读的同时，脑海中已经开始构建起一个清晰的软件蓝图。我发现自己常常会对照着书中的描述，在脑海中模拟一个指令集的执行过程，书中的讲解完美地契合了这种层层递进的解码过程。书中对于错误处理和健壮性设计的讨论，更是体现了作者实战经验的丰富。他没有回避在真实世界中操作系统可能遇到的各种边界情况和异常，而是将这些“脏活累活”也清晰地呈现在读者面前，教会我们如何构建一个真正可靠的系统，而不是一个只在理想环境下能跑的 Demo。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述风格极其流畅且富有洞察力，读起来完全不像是在啃一本硬邦邦的技术手册，更像是在听一位经验丰富的大师在你耳边娓娓道来他多年实践的心得体会。作者似乎有一种魔力，能够将那些原本令人望而生畏的底层细节，用一种近乎诗意的语言组织起来。我尤其赞赏他对“为什么”的执着追问，而不是简单地罗列“是什么”。例如，在讨论中断处理机制时，作者不仅仅是画出了中断向量表的结构，更是深入剖析了在不同硬件设计哲学下，这种机制是如何权衡效率与安全性的。这种深度挖掘背后的设计哲学，极大地提升了阅读的层次感。每当我觉得自己快要被某个复杂的概念困住时，作者总能及时抛出一个精妙的比喻或者一个历史上的设计权衡案例，瞬间就将我从迷雾中解救出来。这本书的行文节奏把握得非常到位，该快则快，该慢则慢，保证了阅读的连贯性和理解的深入性，让人欲罢不能，恨不得一口气读完所有章节。

评分☆☆☆☆☆

这本书的难度曲线设计得非常巧妙，它完美地平衡了入门友好性和专业深度。对于初次接触操作系统设计领域的读者来说，它提供的扎实基础足以让他们站稳脚跟，不会在早期就被那些过于底层的细节压垮。然而，对于那些已经有一定背景知识的资深工程师而言，书中展现的那些高级议题和作者独到的见解，无疑是新的知识增长点。我注意到，书中在讲解并发控制的章节时，并没有停留在经典的锁机制介绍上，而是引入了现代多核处理器下的缓存一致性问题以及内存屏障的微妙之处。这些内容远超出了许多同类教材的覆盖范围，显示出作者紧跟技术前沿的敏锐度。更值得称道的是，作者似乎非常懂得如何引导读者的思维，他总是在关键的技术转折点设置“思考题”，这些问题往往不是简单的选择或填空，而是需要读者停下来，用自己学到的知识去模拟和推演，这种主动学习的方式远比被动接受知识来得深刻有效。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是它背后所蕴含的“人文关怀”。在许多枯燥的技术论述背后，作者时不时地会插入一些关于软件工程哲学、团队协作中的技术决策取舍，甚至是早期操作系统先驱们在面对巨大技术瓶颈时的心路历程。这种非技术性的穿插，极大地丰富了这本书的内涵，让它不再仅仅是一本工具书，而更像是一本引导职业成长的导师语录。例如，在介绍编译和链接过程时，作者对于符号解析冲突的描述，不仅仅是技术层面的讲解，更是对模块化设计中权责划分重要性的深刻阐述。阅读这本书，就像是获得了一位全方位、高水准的导师，他不仅教你如何写出能跑的代码，更重要的是，他教会你如何思考一个优秀软件工程师应该具备的系统观和长远眼光。这本书带来的不仅仅是知识的增加，更是一种思维模式的重塑和提升，令人受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常吸引人，那种深邃的蓝色调配上简洁有力的白色字体，立刻就给人一种专业、严谨的感觉。我拿起这本书时，首先注意到的是它的厚度，这让我对其中内容的广度和深度充满了期待。翻开扉页，作者的简介虽然简短，但透露出一种久经沙场的资深技术专家的风范。我特别欣赏它在排版上的用心，大量的代码示例和图表穿插得恰到好处，没有让复杂的理论显得枯燥难懂。特别是那些流程图，逻辑清晰，简直是技术人员的福音，能让人迅速抓住系统的核心架构。这本书在介绍基础概念时，并没有采用那种填鸭式的说教，而是通过一系列巧妙的类比和对比，将那些抽象的内存管理、进程调度等概念描绘得栩栩如生。可以说，光是阅读它的前几章，就已经让人对操作系统的整体脉络有了豁然开朗的认识。这本书的装帧质量也相当不错，纸张的质感很好，即使长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这对于需要沉浸式学习的读者来说，是一个非常重要的加分项。我甚至觉得，这本书本身就是一件值得收藏的工艺品，不仅仅是技术资料。

评分☆☆☆☆☆

本书中对很多操作系统的概念进行了非常细致的解释，比如逻辑地址、线性地址、物理地址、段管理机制、页管理机制，并且有详细的代码带你亲自对这些东西进行操作，解决了学习操作系统时很多似懂非懂的概念，学习到了很多东西。不过我在学习了前9章之后，后面再看就没有一开始的冲动和兴奋的感觉了，可能是读书时固有的倦怠。这应该怎么破？

评分☆☆☆☆☆

比《操作系统真象还原》更具有实践性，比《orange's 一个操作系统的实现》讲解的更详细，建议三本书都读一读。

评分☆☆☆☆☆

比《操作系统真象还原》更具有实践性，比《orange's 一个操作系统的实现》讲解的更详细，建议三本书都读一读。