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《操作系統真象還原》，鄭鋼 著，出版社： 人民郵電出版社。

人民郵電出版社是全國優秀出版社、全國百佳圖書出版單位。人民郵電出版社出版領域涵蓋科技出版、教育出版、大眾出版，涉及信息技術、通信、工業技術、科普、經濟管理、攝影、藝術、運動與休閒、心理學、少兒、大中專教材等10餘個出版門類，年出版圖書近萬種。

內容簡介

本書共分16章，講解了開發一個操作系統需要的技術和知識，主要內容有：操作系統基礎、部署工作環境、編寫MBR主引導記錄、完善MBR錯誤、保護模式入門、保護模式進階和向內核邁進、中斷、內存管理系統、線程、輸入輸出系統、用戶進程、完善內核、編寫硬盤驅動程序、文件系統、系統交互等核心技術。

本書適合程序員、系統底層開發人員、操作系統愛好者閱讀，也可作為大專院校相關專業師生用書和培訓學校的教材。

目錄

第0章 一些你可能正感到迷惑的問題 1

0.1 操作系統是什麼 1

0.2 你想研究到什麼程度 2

0.3 寫操作系統，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，和操作系統是如何

配合到一起的 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？

這和內存訪問機制中的段是一回事嗎 6

0.9 物理地址、邏輯地址、有效地址、線性

地址、虛擬地址的區別 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系統下的應用程序不能在

Windows系統下運行 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

編譯器是怎麼產生的 16

0.18 編譯型程序與解釋型程序的區別 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

區別 21

0.21 Section和Segment的區別 25

0.22 什麼是魔數 29

0.23 操作系統是如何識別文件系統的 30

0.24 如何控制CPU的下一條指令 30

0.25 指令集、體系結構、微架構、編程

語言 30

0.26 庫函數是用戶進程與內核的橋樑 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 操作系統的宿主環境 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 計算機的啟動過程 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是如何甦醒的 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 硬盤控制器端口 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，變成了

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及選擇子 155

4.3.3 打開A20地址線 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 流水線 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線，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 向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，向內核邁進 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 啟用內存分頁機制，暢遊虛擬空間 186

5.2.1 內存為什麼要分頁 186

5.2.2 一級頁表 188

5.2.3 二級頁表 192

5.2.4 規劃頁表之操作系統與用戶

進程的關係 197

5.2.5 啟用分頁機制 198

5.2.6 用虛擬地址訪問頁表 204

5.2.7 快表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 二進制程序的運行方法 211

5.3.3 elf格式的二進制文件 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 權級深入淺出 229

5.4.1 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語言混合編程 256

6.2.1 淺析C庫函數與系統調用 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 顯卡的端口控制 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 操作系統是中斷驅動的 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 中斷描述符表 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 可編程中斷控制器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**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

壓棧出棧完整過程 339

7.7 可編程計數器/定時器8253簡介 346

7.7.1 時鐘—給設備打拍子 346

7.7.2 8253入門 348

7.7.3 8253控制字 349

7.7.4 8253工作方式 350

7.7.5 8253初始化步驟 353

7.8 提高時鐘中斷的頻率，讓中斷來得更

猛烈一些 354

第8章 內存管理系統 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 偽目標 361

8.1.5 make：遞歸式推導目標 362

8.1.6 自定義變量與系統變量 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 內存管理系統 381

8.5.1 內存池規劃 381

8.5.2 內存管理系統第 一步，分配頁

內存 388

第9章 線程 398

9.1 實現內核線程 398

9.1.1 執行流 398

9.1.2 線程到底是什麼 399

9.1.3 進程與線程的關係、區別簡述 402

9.1.4 進程、線程的狀態 405

9.1.5 進程的身份證—PCB 405

9.1.6 實現線程的兩種方式—內核或

用戶進程 406

9.2 在內核空間實現線程 409

9.2.1 簡單的PCB及線程棧的實現 409

9.2.2 線程的實現 413

9.3 核心數據結構，雙向鍊表 417

9.4 多線程調度 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 輸入輸出系統 439

10.1 同步機制——鎖 439

10.1.1 排查GP異常，理解原子操作 439

10.1.2 找出代碼中的臨界區、互斥、

競爭條件 444

10.1.3 信號量 445

10.1.4 線程的阻塞與喚醒 447

10.1.5 鎖的實現 449

10.2 用鎖實現終端輸出 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 生產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 生產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 現代操作系統採用的任務

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 為進程創建頁表和3權

級棧 502

11.3.4 進入權級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系統調用淺析 523

12.2 系統調用的實現 527

12.2.1 系統調用實現框架 527

12.2.2 增加0x80號中斷描述符 527

12.2.3 實現系統調用接口 528

12.2.4 增加0x80號中斷處理例程 528

12.2.5 初始化系統調用和實現

sys_getpid 530

12.2.6 添加系統調用getpid 531

12.2.7 在用戶進程中的系統調用 532

12.2.8 系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 實現系統調用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 實現系統調用malloc和free 562

第 13章 編寫硬盤驅動程序 566

13.1 硬盤及分區表 566

13.1.1 創建從盤及獲取安裝的

磁盤數 566

13.1.2 創建磁盤分區表 567

13.1.3 磁盤分區表淺析 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線程 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，掃描分區表 590

第 14章 文件系統 595

14.1 文件系統概念簡介 595

14.1.1 inode、間接塊索引表、文件

控制塊FCB簡介 595

14.1.2 目錄項與目錄簡介 597

14.1.3 超級塊與文件系統布局 599

14.2 創建文件系統 601

14.2.1 創建超級塊、i結點、目錄項 601

14.2.2 創建文件系統 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 在文件系統上創建第 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系統

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 回收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 遍歷目錄 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 系統交互 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系統調用與實現init

進程 695

15.2 添加read系統調用，獲取鍵盤輸入 696

15.3 添加putchar、clear系統調用 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 添加系統調用 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 實現系統調用wait和exit 731

15.6.1 wait和exit的作用 731

15.6.2 孤兒進程和殭屍進程 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