内容简介

在本书中，你将尝试从零自制操作系统。你会体验到制作操作系统的整个过程，从打开计算机、调用操作系统本身到能够运行各种应用。你会了解到计算机的内部结构，以及操作系统的工作原理 ；在此 之前，它们对于你来说可能一直都是黑箱。

本书内容包括 ：个人可以制作操作系统吗、计算机工作原理和 Hello World 、EDK II 和内存映射、 屏幕显示实践和引导加载器、像素绘图和 make 入门、文本显示和控制台类、鼠标输入和 PCI 、中断和 FIFO、内存管理、叠加过程、窗口、定时器和 ACPI、键盘输入、多任务处理、终端、命令、文件系  统、应用、分页、系统调用、窗口应用、图形和事件、多终端、使用应用加载文件、从应用写入文件、 应用的内存管理、日文显示和重定向、应用间通信、额外应用、前方的路，以及配置开发环境、获取 MikanOS 、EDK II 文件说明、C++ 中的模板、iPXE 、ASCII 码表。

本书的目标读者是写过简单程序的人。如果你编写过几百行代码，有相关编程经验，那么应该可以 毫无顾虑地通读本书。但如果你从未编写过程序，那么阅读本书将会很吃力。

目录

第 0章   个人可以制作操作系统吗 1
0．1    如何制作操作系统 2
0．2    到底什么是操作系统 3
0．3    自制操作系统的步骤 6
0．4   享受自制操作系统的乐趣 7
0．5    自制操作系统的全貌 8
第1章   计算机工作原理和HelloWorld 15
1．1    Hello World 16
1．2    如何查找U盘的设备名称 20
1．3    如何使用WSL 20
1．4    使用模拟器 22
1．5    最终做了些什么 23
1．6    还是让我们动手吧 27
1．7    使用UEFI BIOS启动 28
1．8    制作操作系统的工具 29
1．9    C语言版的Hello World程序 30
第 2章   EDK II和内存映射 33
2．1    EDK II简介 34
2．2    EDK II的Hello World程序（osbook_day02a） 35
2．3    主存储器 38
2．4    内存映射 39
2．5    获取内存映射（osbook_day02b） 41
2．6    将内存映射保存到文件中 43
2．7    检查内存映射 46
2．8    指针简介（1）：地址和指针 47
2．9    指针和箭头运算符 48
第 3章   屏幕显示实践和引导加载器 53
3．1    QEMU监视器 54
3．2    寄存器 56
3．3    第一个内核（osbook_day03a） 58
3．4    从引导加载器绘制像素（osbook_day03b） 66
3．5    从内核绘制像素（osbook_day03c） 68
3．6    错误处理（osbook_day03d） 70
3．7    指针简介（2）：指针与汇编语言 73
第 4章   像素绘图和make入门 77
4．1    make简介（osbook_day04a） 78
4．2    自由绘制像素（osbook_day04b） 81
4．3    利用C++语言特性重写程序（osbook_day04c） 86
4．4    vtable 91
4．5    改进加载器（osbook_day04d） 93
第 5章   文本显示和控制台类 99
5．1    尝试写入字符（osbook_day05a） 100
5．2    拆分编译（osbook_day05b） 103
5．3    增加字体（osbook_day05c） 106
5．4    字符串绘制和sprintf()（osbook_day05d） 108
5．5    控制台类（osbook_day05e） 110
5．6    printk()（osbook_day05f） 114
第 6章   鼠标输入和PCI 117
6．1    鼠标光标（osbook_day06a） 118
6．2    USB Host驱动程序 121
6．3    搜索PCI设备（osbook_day06b） 123
6．4   带轮询的鼠标输入（osbook_day06c） 132
第 7章   中断和FIFO 141
7．1    中断（osbook_day07a） 142
7．2    中断处理程序 143
7．3    中断向量 144
7．4    设置中断描述符 147
7．5    MSI机制 149
7．6    中断总结 150
7．7    加速中断处理程序（osbook_day07b） 151
7．8   FIFO和FILO 152
7．9    实现队列 153
7．10    使用队列加速中断 157
第 8章   内存管理 161
8．1    内存管理概述 162
8．2    UEFI内存映射（osbook_day08a） 162
8．3    移动数据结构（osbook_day08b） 165
8．4    移动栈区域 166
8．5    设置分段 167
8．6    设置分页 174
8．7    内存管理挑战（osbook_day08c） 177
第 9章   叠加过程 185
9．1    叠加过程概述（osbook_day09a） 186
9．2    new运算符 186
9．3    叠加过程的原理 189
9．4    叠加过程的时间测量（osbook_day09b） 205
9．5    加速叠加过程（osbook_day09c） 209
9．6    测量滚动过程时间（osbook_day09d） 219
9．7    更快的滚动过程（osbook_day09e） 221
第 10 章   窗口 227
10．1    再论鼠标（osbook_day10a） 228
10．2    第一个窗口（osbook_day10b） 229
10．3    快速计数器（osbook_day10c） 232
10．4    消除闪烁（osbook_day10d） 234
10．5    后置缓冲区（osbook_day10e） 240
10．6  

前言/序言

译   者   序

想要了解一项技术，除了阅读相关的技术文档之外，最好的办法就是造“轮子”。接近 于圆形的轮子当然能跑起来，而接近于方形的轮子也有可能跑起来，只是费力一些。造“轮 子”的目的不是获得轮子这个结果，而是掌握制造的过程。在这个过程中， 一定会碰到问 题。无论是用了完美的还是略显笨拙的方法来解决这些问题，都将转化为制造者的知识。

本书就是这种“做中学”思维的成果。从专业的角度来看， MikanOS这个操作系统有些 过于简略。但是，任何参天大树都是从一颗种子成长起来的。一颗种子能长成多高、多大的 树，与信心和付出的时间相关。我们翻译这本书，就是为了给读者引一引路，并增加一些可 参考的材料。

由于译者水平有限，如果读者发现了什么错漏，那不必怀疑：正确往往归于读者，错误 往往归于译者。

引      言

本书的主题是自制操作系统。从零开始，用30章做出一个简单的操作系统：MikanOS 。 在30章结束之后，你将看到下图所示的效果。图中的一切都是依照本书的内容实现的。当 然，这些功能都是独立运行的，没有使用其他操作系统。

30天后的MikanOS

图中显示了一些在MikanOS上运行的应用。其中，左上显示的是 MikanOS的用户手册（日 文）；左下是一个旋转的彩色立方体；中间是一个黑色背景的终端；右下是富士山的 JPEG照 片。此外，还有几个小型应用正在运行。例如，右上角有一个窗口，显示操作系统启动后的 运行时间（单位为0.01s），其上还有一个鼠标指针。总的来说，看起来是不是很真实？

V

操作系统（Operating System）是计算机中的基础软件，比如常见的Windows 、macOS和 Linux。操作系统在计算机的使用过程中发挥着重要作用——它通过提供网络浏览器和文字处 理器等常用功能来支持应用开发，通过分配计算资源来实现多个应用的同时使用，并且提供 了统一的操作方法。操作系统使计算机更加强大，更易于使用。

本书的目标是制作一个无须借助其他操作系统即可运行的操作系统，而不是在既有的操 作系统（如 Windows）上运行的应用。不借助其他操作系统的功能意味着，比如在操作鼠标 时，自己编写鼠标指针（箭头）在屏幕上移动的过程；使用键盘输入命令并按下回车键时， 自己编写启动命令的进程。此外，还必须创建一个函数来探知并管理计算机的内存。几乎所 有的处理过程都是自己完成的，这就是自制操作系统。是不是很激动人心？

乍一看，自制操作系统似乎是在浪费时间。虽然现在已经有了很多功能强大的操作系 统，自制操作系统是在模仿它们，但是自制操作系统能给你带来宝贵的经验。探索计算机系 统的工作原理会激发你的求知欲。从实用的角度来看，了解硬件和操作系统的工作原理将拓 宽软件工程师的工作范围：研究操作系统如何工作，并探索如何创建高效运行的应用。或 者，在调查系统故障原因时，可以利用调试操作系统的经验来深入研究。当需要阅读 Linux 内核的代码时，如果有制作操作系统的经验，那么读起来会容易得多。

现在我们用专业术语介绍一下 MikanOS的功能：MikanOS是一个通过UEFI BIOS启动的 操作系统，以 64位模式运行，具有抢占式多任务、窗口系统、分页内存管理和系统调用等 功能。如果你不知道这些专业术语的含义，也不要紧，本书的任务就是在实践中解释它们的 含义。

目标读者

如今，个人可以创建复杂的网络服务和支持VR的游戏。如果你购买了一台面向物联网的 小型计算机，就可以立即开始从事十年前无法想象的高级电子工作了。以如何构建编译器和 CPU为主题的书也已出版。

虽然制作各种东西变得更加容易，但制作操作系统却变得更加困难。这是随着计算机的 日益复杂而演变出的结果。本书的目的就是揭示隐藏在黑暗中的操作系统原理，确保自制的 乐趣依然存在。为什么不与作者一起手工制作操作系统呢？

本书是2006年出版的《30天自制操作系统》的衍生成果。这是一本非常好的书，2021年 仍在印刷。但自该书出版以来，个人计算机已经发生了很大的变化，有些信息（尤其是与硬 件相关的信息）已经过时。于是，我决定写一本新书1 。因此，本书的内容是在编写此书时市 面上销售的计算机上进行测试的（但不保证在所有型号的计算机上都能正常工作）。

本书的目标读者是写过简单程序的人。如果你有几百行代码的编写经验，那么应该可以 毫无顾虑地阅读本书。但如果你从未编写过程序，那将会很吃力。

本书中的MikanOS是用C++编写的。对于那些不熟悉C++的读者，