描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787115287960
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只需30天
从零开始编写一个五脏俱全的图形操作系统
39.1KB迷你系统
实现多任务、汉字显示、文件压缩，还能听歌看图玩游戏
日本编程天才
揭开CPU、内存、磁盘以及操作系统底层工作模式的神秘面纱
自己编写一个操作系统，是许多程序员的梦想。也许有人曾经挑战过，但因为太难而放弃了。其实你错了，你的失败并不是因为编写操作系 统太难，而是因为没有人告诉你那其实是一件很简单的事。那么，你想不想再挑战一次呢？
这是一本兼具趣味性、实用性与学习性的书籍。作者从计算机的构造、汇编语言、C语言开始解说，让你在实践中掌握算法。在这本书的指导下，从零编写所有代码，30天后就可以制作出一个具有窗口系统的32位多任务操作系统。
本书以课题为主导，边做边玩，抛开晦涩难懂的语言，行文风格十分随性，还充满了各种欢乐的吐槽，适合操作系统爱好者和程序设计人员阅读。
第0天 着手开发之前
1 前言
2 何谓操作系统
3 开发操作系统的各种方法
4 无知则无畏
5 如何开发操作系统
6 操作系统开发中的困难
7 学习本书时的注意事项（重要！）
8 各章内容摘要
第1天 从计算机结构到汇编程序入门
1 先动手操作
2 究竟做了些什么
3 初次体验汇编程序
4 加工润色
第2天 汇编语言学习与Makefile入门
1 介绍文本编辑器
2 继续开发
3 先制作启动区
4 Makefile入门
第3天 进入32位模式并导入C语言
1 制作真正的IPL
2 试错
3 读到18扇区
4 读入10个柱面
5 着手开发操作系统
6 从启动区执行操作系统
7 确认操作系统的执行情况
8 32位模式前期准备
9 开始导入C语言
10 实现HLT（harib00j）
第4天 C语言与画面显示的练习
1 用C语言实现内存写入（harib01a）
2 条纹图案（harib01b）
3 挑战指针（harib01c）
4 指针的应用（1）（harib01d）
5 指针的应用（2）（harib01e）
6 色号设定（harib01f）
7 绘制矩形（harib01g）
8 今天的成果（harib01h）
第5天 结构体、文字显示与GDT/IDT初始化
1 接收启动信息（harib02a）
2 试用结构体（harib02b）
3 试用箭头记号（harib02c）
4 显示字符（harib02d）
5 增加字体（harib02e）
6 显示字符串（harib02f）
7 显示变量值（harib02g）
8 显示鼠标指针（harib02h）
9 GDT与IDT的初始化（harib02i）
第6天 分割编译与中断处理
1 分割源文件（harib03a）
2 整理Makefile（harib03b）
3 整理头文件（harib03c）
4 意犹未尽
5 初始化PIC（harib03d）
6 中断处理程序的制作（harib03e）
第7天 FIFO与鼠标控制
1 获取按键编码（hiarib04a）
2 加快中断处理（hiarib04b）
3 制作FIFO缓冲区（hiarib04c）
4 改善FIFO缓冲区（hiarib04d）
5 整理FIFO缓冲区（hiarib04e）
6 总算讲到鼠标了（harib04f）
7 从鼠标接受数据（harib04g）
第8天 鼠标控制与32位模式切换
1 鼠标解读（1）（harib05a）
2 稍事整理（harib05b）
3 鼠标解读（2）（harib05c）
4 移动鼠标指针（harib05d）
5 通往32位模式之路
第9天 内存管理
1 整理源文件（harib06a）
2 内存容量检查（1）（harib06b）
3 内存容量检查（2）（harib06c）
4 挑战内存管理（harib06d）
第10天 叠加处理
1 内存管理（续）（harib07a）
2 叠加处理（harib07b）
3 提高叠加处理速度（1）（harib07c）
4 提高叠加处理速度（2）（harib07d）
第11天 制作窗口
1 鼠标显示问题（harib08a）
2 实现画面外的支持（harib08b）
3 shtctl的指定省略（harib08c）
4 显示窗口（harib08d）
5 小实验（harib08e）
6 高速计数器（harib08f）
7 消除闪烁（1）（harib08g）
8 消除闪烁（2）（harib08h）
第12天 定时器（1）
1 使用定时器（harib09a）
2 计量时间（harib09b）
3 超时功能（harib09c）
4 设定多个定时器（harib09d）
5 加快中断处理（1）（harib09e）
6 加快中断处理（2）（harib09f）
7 加快中断处理（3）（harib09g）
第13天 定时器（2）
1 简化字符串显示（harib10a）
2 重新调整FIFO缓冲区（1）（harib10b）
3 测试性能（harib10c～harib10f）
4 重新调整FIFO缓冲区（2）（harib10g）
5 加快中断处理（4）（harib10h）
6 使用“哨兵”简化程序（harib10i）
第14天 高分辨率及键盘输入
1 继续测试性能（harib11a～harib11c）
2 提高分辨率（1）（harib11d）
3 提高分辨率（2）（harib11e）
4 键盘输入（1）（harib11f）
5 键盘输入（2）（harib11g）
6 追记内容（1）（harib11h）
7 追记内容（2）（harib11i）
第15天 多任务（1）
1 挑战任务切换（harib12a）
2 任务切换进阶（harib12b）
3 做个简单的多任务（1）（harib12c）
4 做个简单的多任务（2）（harib12d）
5 提高运行速度（harib12e）
6 测试运行速度（harib12f）
7 多任务进阶（harib12g）
第16天 多任务（2）
1 任务管理自动化（harib13a）
2 让任务休眠（harib13b）
3 增加窗口数量（harib13c）
4 设定任务优先级（1）（harib13d）
5 设定任务优先级（2）（harib13e）
第17天 命令行窗口
1 闲置任务（harib14a）
2 创建命令行窗口（harib14b）
3 切换输入窗口（harib14c）
4 实现字符输入（harib14d）
5 符号的输入（harib14e）
6 大写字母与小写字母（harib14f）
7 对各种锁定键的支持（harib14g）
第18天 dir命令
1 控制光标闪烁（1）（harib15a）
2 控制光标闪烁（2）（harib15b）
3 对回车键的支持（harib15c）
4 对窗口滚动的支持（harib15d）
5 mem命令（harib15e）
6 cls命令（harib15f）
7 dir命令（harib15g）
第19天 应用程序
1 type命令（harib16a）
2 type命令改良（harib16b）
3 对FAT的支持（harib16c）
4 代码整理（harib16d）
5 个应用程序（harib16e）
第20天 API
1 程序整理（harib17a）
2 显示单个字符的API（1）（harib17b）
3 显示单个字符的API（2）（harib17c）
4 结束应用程序（harib17d）
5 不随操作系统版本而改变的API（harib17e）
6 为应用程序自由命名（harib17f）
7 当心寄存器（harib17g）
8 用API显示字符串（harib17h）
第21天 保护操作系统
1 攻克难题——字符串显示API（harib18a）
2 用C语言编写应用程序（harib18b）
3 保护操作系统（1）（harib18c）
4 保护操作系统（2）（harib18d）
5 对异常的支持（harib18e）
6 保护操作系统（3）（harib18f）
7 保护操作系统（4）（harib18g）
第22天 用C语言编写应用程序
1 保护操作系统（5）（harib19a）
2 帮助发现bug（harib19b）
3 强制结束应用程序（harib19c）
4 用C语言显示字符串（1）（harib19d）
5 用C语言显示字符串（2）（harib19e）
6 显示窗口（harib19f）
7 在窗口中描绘字符和方块（harib19g）
第23天 图形处理相关
1 编写malloc（harib20a）
2 画点（harib20b）
3 刷新窗口（harib20c）
4 画直线（harib20d）
5 关闭窗口（harib20e）
6 键盘输入API（harib20f）
7 用键盘输入来消遣一下（harib20g）
8 强制结束并关闭窗口（harib20h）
第24天 窗口操作
1 窗口切换（1）（harib21a）
2 窗口切换（2）（harib21b）
3 移动窗口（harib21c）
4 用鼠标关闭窗口（harib21d）
5 将输入切换到应用程序窗口（harib21e）
6 用鼠标切换输入窗口（harib21f）
7 定时器API（harib21g）
8 取消定时器（harib21h）
第25天 增加命令行窗口
1 蜂鸣器发声（harib22a）
2 增加更多的颜色（1）（harib22b）
3 增加更多的颜色（2）（harib22c）
4 窗口初始位置（harib22d）
5 增加命令行窗口（1）（harib22e）
6 增加命令行窗口（2）（harib22f）
7 增加命令行窗口（3）（harib22g）
8 增加命令行窗口（4）（harib22h）
9 变得更像真正的操作系统（1）（harib22i）
10 变得更像真正的操作系统（2）（harib22j）
第26天 为窗口移动提速
1 提高窗口移动速度（1）（harib23a）
2 提高窗口移动速度（2）（harib23b）
3 提高窗口移动速度（3）（harib23c）
4 提高窗口移动速度（4）（harib23d）
5 启动时只打开一个命令行窗口（harib23e）
6 增加更多的命令行窗口（harib23f）
7 关闭命令行窗口（1）（harib23g）
8 关闭命令行窗口（2）（harib23h）
9 start命令（harib23i）
10 ncst命令（harib23j）
第27天 LDT与库
1 先来修复bug（harib24a）
2 应用程序运行时关闭命令行窗口（harib24b）
3 保护应用程序（1）（harib24c）
4 保护应用程序（2）（harib24d）
5 优化应用程序的大小（harib24e）
6 库（harib24f）
7 整理make环境（harib24g）
第28天 文件操作与文字显示
1 alloca（1）（harib25a）
2 alloca（2）（harib25b）
3 文件操作API（harib25c）
4 命令行API（harib25d）
5 日文文字显示（1）（harib25e）
6 日文文字显示（2）（harib25f）
7 日文文字显示（3）（harib25g）
第29天 压缩与简单的应用程序
1 修复bug（harib26a）
2 文件压缩（harib26b）
3 标准函数
4 非矩形窗口（harib26c）
5 bball（harib26d）
6 外星人游戏（harib26e）
第30天 高级的应用程序
1 命令行计算器（harib27a）
2 文本阅览器（harib27b）
3 MML播放器（harib27c）
4 图片阅览器（harib27d）
5 IPL的改良（harib27e）
6 光盘启动（harib27f）
第31天 写在开发完成之后
1 继续开发要靠大家的努力
2 关于操作系统的大小
3 操作系统开发的诀窍
4 分享给他人使用
5 关于光盘中的软件
6 关于开源的建议
7 后记
8 毕业典礼
9 附录
“好想编写一个操作系统呀！”笔者的朋友曾说这是所有程序员都曾经怀揣的一个梦想。说“所有的程序员”可能有点夸张了，不过作为程序员的梦想，它至少也应该能排进前十名吧。
也许很多人觉得编写操作系统是个天方夜谭，这一定是操作系统业界的一个阴谋（笑）。他们故意让大家相信编写操作系统是一件非常困难的事情，这样就可以高价兜售自己开发的操作系统，而且操作系统的作者还会被顶礼膜拜。那么实际情况又怎么样呢？和别的程序相比，其实编写操作系统并没有那么难，至少笔者的感觉是这样。
在各位读者之中，也许有人曾经挑战过操作系统的编写，但因为太难而放弃了。拥有这样经历的人也许不会认同笔者的观点。其实你错了，你的失败并不是因为编写操作系统太难，而是因为没有人告诉你那其实是一件很简单的事而已。
不仅是编写操作系统，任何事都是一样的。如果讲解的人认为它很难，那就不可能把它讲述得通俗易懂，即便是同样的内容，也会讲得无比复杂。这样的讲解，肯定是很难懂的。
那么，你想不想和笔者一起再挑战一次呢？如果你曾经梦想过编写自己的操作系统，一定会觉得乐在其中的。
可能有人会说，这本书足足有700多页，怎么会“有趣”和“简单”呢？唔，这么一说笔者也觉得挺心虚的，不过其实也只是长了那么一点点啦。平均下来的话，每天只有大约23页的内容，你看，也没有那么长吧？
这本书的文风非常轻松，也许你不知不觉中就会读得很快。但是这样的话可能印象不会很深，好还是能静下心来慢慢地读。书中所展示的程序代码和文字的说明同样重要，因此也希望大家仔细阅读。只要注意这些，理解本书的内容就应该没有问题了。
在本书中，我们使用C语言和汇编语言来编写操作系统，不过不必担心，你可以在阅读本书的同时来逐步学习关于这些编程语言的知识。本书在这方面写得非常仔细，如果能有人通过本书终于把C语言中的指针给搞懂了，那笔者的目的也就达到了。即便是从这样的水平开始，30天后你也能够编写出一个很棒的操作系统，请大家拭目以待吧！
1.挑战任务切换（harib12a）
“话说，多任务到底是啥呢？”我们今天的内容，就从这个问题开始吧。
多任务，在英语中叫做“multitask”，顾名思义就是“多个任务”的意思。简单地说，在Windows等操作系统中，多个应用程序同时运行的状态（也就是同时打开好几个窗口的状态）就叫做多任务。
对于生活在现代社会的各位来说，这种多任务简直是理所当然的事情。比如你会一边用音乐播放软件听音乐一边写邮件，邮件写到一半忽然有点东西要查，便打开Web浏览器上网搜索。这对于大家来说这些都是家常便饭了吧。可如果没有多任务的话会怎么样呢？想写邮件的时候就必须关掉正在播放的音乐，要查东西的时候就必须先保存写到一半的邮件，然后才能打开Web浏览器……光想象一下就会觉得太不方便了。
然而在从前，没有多任务反倒是普遍的情形（那个时候大家不用电脑听音乐，也没有互联网）。在那个年代，电脑一次只能运行一个程序，如果要同时运行多个程序的话，就得买好几台电脑才行。
就在那个时候，诞生了初的多任务操作系统，大家都觉得太了不起了。从现在开始，我们也要准备给“纸娃娃系统”添加执行多任务的能力了。连这样一个小不点儿操作系统都能够实现多任务，真是让人不由地感叹它生逢其时呀。
稍稍思考一下我们就会发现，多任务这个东西还真是奇妙，它究竟是怎样做到让多个程序同时运行的呢？如果我们的电脑里面装了好多个CPU的话，同时运行多个程序倒也顺理成章，但实际上就算我们只有一个CPU，照样可以实现多任务。
其实说穿了，这些程序根本没有在同时运行，只不过看上去好像是在同时运行一样：程序A运行一会儿，接下来程序B运行一会儿，再接下来轮到程序C，然后再回到程序A……如此反复，有点像日本忍者的“分身术”呢（笑）。
为了让这种分身术看上去更完美，需要让操作系统尽可能快地切换任务。如果10秒才切换一次，那就连人眼都能察觉出来了，同时运行多个程序的戏码也就穿帮了。再有，如果我们给程序C发出一个按键指令，正巧这个瞬间系统切换到了程序A的话，我们就不得不等上20秒，才能重新轮到程序C对按键指令作出反应。这实在是让人抓狂啊（哭）。
在一般的操作系统中，这个切换的动作每0.01～0.03秒就会进行一次。当然，切换的速度越快，让人觉得程序是在同时运行的效果也就越好。不过，CPU进行程序切换（我们称为“任务切换”）这个动作本身就需要消耗一定的时间，这个时间大约为0.0001秒左右，不同的CPU及操作系统所需的时间也有所不同。如果CPU每0.0002秒切换一次任务的话，该CPU处理能力的50%都要被任务切换本身所消耗掉。这意味着，如果同时运行2个程序，每个程序的速度就只有单独运行时的1/4，这样你会觉得开心吗？如果变成这种结果，那还不如干脆别搞多任务呢。
相比之下，即便是每0.001秒切换一次任务，单单在任务切换上面也要消耗CPU处理能力的10%。大概有人会想，10%也没什么大不了的吧？可如果你看看速度快10%的CPU卖多少钱，说不定就会恍然大悟，“对啊，只要优化一下任务切换间隔，就相当于一分钱也不花，便换上了比现在更快的CPU嘛……”（笑），你也就明白了浪费10%也是很不值得的。正是因为这个原因，任务切换的间隔短也得0.01秒左右，这样一来只有1%的处理能力消耗在任务切换上，基本上就可以忽略不计了。
关于多任务是什么的问题，已经大致讲得差不多了，接下来我们来看看如何让CPU来处理多任务。
当你向CPU发出任务切换的指令时，CPU会先把寄存器中的值全部写入内存中，这样做是为了当以后切换回这个程序的时候，可以从中断的地方继续运行。接下来，为了运行下一个程序，CPU会把所有寄存器中的值从内存中读取出来（当然，这个读取的地址和刚刚写入的地址一定是不同的，不然就相当于什么都没变嘛），这样就完成了一次切换。我们前面所说的任务切换所需要的时间，正是对内存进行写入和读取操作所消耗的时间。
接下来我们来看看寄存器中的内容是怎样写入内存里去的。下面这个结构叫做“任务状态段”（task statussegment），简称TSS。TSS有16位和32位两个版本，这里我们使用32位版。顾名思义，TSS也是内存段的一种，需要在GDT中进行定义后使用。
struct TSS32 {
int backlink， esp0， ss0， esp1， ss1， esp2， ss2， cr3；
int eip， eflags， eax， ecx， edx， ebx， esp， ebp， esi， edi；
int es， cs， ss， ds， fs， gs；
int ldtr， iomap；
}；
参考上面的结构定义，TSS共包含26个int成员，总计104字节（摘自CPU的技术资料），我特意把它们分成4行来写。从开头的backlink起，到cr3为止的几个成员，保存的不是寄存器的数据，而是与任务设置相关的信息，在执行任务切换的时候这些成员不会被写入（backlink除外，某些情况下是会被写入的）。后面的部分中我们会用到这里的设定，不过现在你完全可以先忽略它。
第2行的成员是32位寄存器，第3行是16位寄存器，应该没必要解释了吧……不对，eip好像到现在还没讲过呢。EIP的全称是“extendedinstructionpointer”，也就是“扩展指令指针寄存器”的意思。这里的“扩展”代表它是一个32位寄存器，也就是说其对应的16位版本叫做IP，类比一下的话，跟EAX与AX之间的关系是一样的。
EIP是CPU用来记录下一条需要执行的指令位于内存中哪个地址的寄存器，因此它才被称为“指令指针”。如果没有这个寄存器，记性不好的CPU就会忘记自己正在运行哪里的程序，于是程序就没办法正常运行了。每执行一条指令，EIP寄存器中的值就会自动累加，从而保证一直指向下一条指令所在的内存地址。
说点题外话，JMP指令实际上是一个向EIP寄存器赋值的指令。JMP 0x1234这种写法，CPU会解释为MOVEIP，0x1234，并向EIP赋值。也就是说，这条指令其实是篡改了CPU记忆中下一条该执行的指令的地址，蒙了CPU一把。这样一来，CPU在读取下一条指令时，就会去读取0x1234这个地址中的指令。你看，这不就相当于是做了一个跳转吗？
对了，如果你在汇编语言里用MOV EIP，0x1234这种写法是会出错的，还是不要尝试的好。在汇编语言中，应该使用JMP0x1234来代替MOV EIP，0x1234。
如果在TSS中将EIP寄存器的值记录下来，那么当下次再返回这个任务的时候，CPU就可以明白应该从哪里读取程序来运行了。
按照常识，段寄存器应该是16位的才对，可是在TSS数据结构中却定义成了int（也就是DWORD）类型。我们可以大胆想象一下，说不定英特尔公司的人将来会把段寄存器变成32位的，这样想想也挺有意思的呢（笑）。
第4行的ldtr和iomap也和第1行的成员一样，是有关任务设置的部分，因此在任务切换时不会被CPU写入。也许你会想，那就和第1行一样，暂时先忽略好了–但那可是不行的！如果胡乱赋值的话，任务就无法正常切换了，在这里我们先将ldtr置为0，将iomap置为0x40000000就好了。
……
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