30天自制操作系统-带书签pdf扫描版

30天自制操作系统2012年8月由人民邮电出版社出版发行，是一本兼具趣味性、实用性与学习性的操作系统图书。30天自制操作系统中所展示的程序代码和文字的说明也很重要，通过阅读这本书来逐步学习关于这些编程语言的知识。30天自制操作系统有足足700多页，看起来很多，平均算下来，每天只要大约23页内容。所以轻轻松松就可以阅读完。作者从计算机的构造、汇编语言、C语言开始解说，让读者在实践中掌握算法。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。30天自制操作系统适合操作系统爱好者和程序设计人员阅读。

作者介绍：

川合秀实（Hidemi.Kawai），生于1975年，是一位以“轻量化”编程思想见长的“非主流”开发者。2000年因自行开发的OSASK项目而名声大噪。OSASK是一个开源的32位微型操作系统，它并非以Linux等内核为基础，而是完全从零开始开发，在一张软盘的容量下实现了GUI、多任务、多语言等高级特性，启动时间只需1秒。本书的内容可以看成是作者以OSASK为蓝本，教会读者从零开始开发一个操作系统，同时可以让初学者在编写操作系统的过程中，了解操作系统背后更多的知识。

30天自制操作系统目录：

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 第一个应用程序（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

精彩书摘：

......
第15天
多任务（1）
挑战任务切换（harib12a）
任务切换进阶（harib12b）
做个简单的多任务（1）（harib12c）
做个简单的多任务（2）（harib12d）
提高运行速度（harib12e）
测试运行速度（harib12f）
多任务进阶（harib12g）
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，诞生了最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，任务切换的间隔最短也得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.status.segment），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。
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"extended.instruction.pointer"，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MOV.EIP,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JMP 0x1234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--但那可是绝对不行的！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。
关于TSS的话题暂且先告一段落，我们回来继续讲任务切换的方法。要进行任务切换，其实还得用JMP指令。JMP指令分为两种，只改写EIP的称为near模式，同时改写EIP和CS的称为far模式，在此之前我们使用的JMP指令基本上都是near模式的。不记得CS是什么了？CS就是代码段（code segment）寄存器啦。
说起来我们其实用过一次far模式的JMP指令，就在asmhead.nas的"bootpack启动"的最后一句（见8.5节）。
JMP DWORD 2*8:0x0000001b这条指令在向EIP存入0x1b的同时，将CS置为2*8（=16）。像这样在JMP目标地址中带冒号（:）的，就是far模式的JMP指令。
如果一条JMP指令所指定的目标地址段不是可执行的代码，而是TSS的话，CPU就不会执行通常的改写EIP和CS的操作，而是将这条指令理解为任务切换。也就是说，CPU会切换到目标TSS所指定的任务，说白了，就是JMP到一个任务那里去了。
CPU每次执行带有段地址的指令时，都会去确认一下GDT中的设置，以便判断接下来要执行的JMP指令到底是普通的far-JMP，还是任务切换。也就是说，从汇编程序翻译出来的机器语言来看，普通的far-JMP和任务切换的far-JMP，指令本身是没有任何区别的。
好了，枯燥的讲解就到这里，让我们实际做一次任务切换吧。我们准备两个任务：任务A和任务B，尝试从A切换到B。
首先，我们需要创建两个TSS：任务A的TSS和任务B的TSS。
本次的HariMain节选
struct TSS32 tss_a, tss_b;
向它们的ldtr和iomap分别存入合适的值。
本次的HariMain节选
tss_a.ldtr = 0;
tss_a.iomap = 0x40000000;
tss_b.ldtr = 0;
tss_b.iomap = 0x40000000;
接着将它们两个在GDT中进行定义。
本次的HariMain节选
struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) ADR_GDT;
set_segmdesc(gdt + 3, 103, (int) &tss_a, AR_TSS32);
set_segmdesc(gdt + 4, 103, (int) &tss_b, AR_TSS32);
现在两个TSS都创建好了，该进行实际的切换了。
我们向TR寄存器存入3*8这个值，这是因为我们刚才把当前运行的任务定义为GDT的3号。TR寄存器以前没有提到过，它的作用是让CPU记住当前正在运行哪一个任务。当进行任务切换的时候，TR寄存器的值也会自动变化，它的名字也就是"task register"（任务寄存器）的缩写。我们每次给TR寄存器赋值的时候，必须把GDT的编号乘以8，因为英特尔公司就是这样规定的。如果你有意见的话，可以打电话找英特尔的大叔投诉哦（笑）。
给TR寄存器赋值需要使用LTR指令，不过用C语言做不到。唉，各位是不是都已经见怪不怪了啊？啥？你早就料到了？（笑）所以说，正如你所料，我们只能把它写进naskfunc.nas里面。
……

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