一个64位操作系统的设计与实现

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。靠前~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。

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。

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
2.1.1VMware的安装9
2.1.2编译环境CentOS 610
2.1.3Bochs虚拟机11
2.2汇编语言14
2.2.1AT&T汇编语言格式与Intel汇编语言格式14
2.2.2NASM编译器16
2.2.3使用汇编语言调用C语言的函数16
2.3C语言19
2.3.1GNU C内嵌汇编语言20
2.3.2GNU 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
3.1Boot引导程序30
3.1.1BIOS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
3.2Loader引导加载程序54
3.2.1Loader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log88
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
4.6.18259A PIC142
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
4.8.2PCB156
4.8.3init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API180
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
6.1.3CPUID指令192
6.1.4标志寄存器EFLAGS193
6.1.5控制寄存器195
6.1.6MSR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
6.5IA-32e模式226
6.5.1IA-32e模式概述226
6.5.2IA-32e模式的段管理机制228
6.5.3IA-32e模式的中断/异常处理机制234
6.5.4IA-32e模式的页管理机制234
6.5.5IA-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
7.4U盘启动244
7.4.1USB-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
7.6.1VBE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
9.1SLAB内存池297
9.1.1SLAB内存池概述及相关结构体定义298
9.1.2SLAB内存池的创建与销毁299
9.1.3SLAB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_init308
9.2.2通用内存的分配函数kmalloc312
9.2.3通用内存的回收函数kfree317
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
9.4.2VBE帧缓存区地址重映射334
第10章 高级中断处理单元337
10.1APIC概述337
10.2Local APIC338
10.2.1Local APIC的基础信息338
10.2.2Local APIC整体结构及各功能描述344
10.3I/O APIC352
10.3.1I/O APIC控制器的基础信息353
10.3.2I/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
10.4.2Local APIC控制器的初始化362
10.4.3I/O APIC控制器的初始化368
10.5高级中断处理功能375
10.5.1Linux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
12.3.1Linux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
13.2.1FAT32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
13.3.1Linux VFS简介552
13.3.2实现VFS554
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
14.2.1POSIX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
15.1Shell命令解析器626
15.1.1Shell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reboot641
15.2.2工作目录切换命令cd642
15.2.3目录内容显示命令ls645
15.2.4文件查看命令cat654
15.2.5程序执行命令exec655
第16章 一个彩蛋665
附录术语表676
参考资料679