了得網研究生_操作繫統設計與實現：基於LoongArch架構周慶國楊虎斌劉剛

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操作繫統設計與實現：基於LoongArch架構周慶國楊虎斌劉剛
該商品所屬分類：研究生 -> 理學
【市場價】	292-424元
【優惠價】	183-265元
【作者】	周慶國
【所屬類別】	圖書教材研究生/本科/專科教材理學
【出版社】	機械工業出版社
【ISBN】	9787111746683
【折扣說明】	一次購物滿999元台幣免運費+贈品一次購物滿2000元台幣95折+免運費+贈品一次購物滿3000元台幣92折+免運費+贈品一次購物滿4000元台幣88折+免運費+贈品
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內容介紹

開本：16開

紙張：膠版紙

包裝：平裝-膠訂

是否套裝：否

國際標準書號ISBN：9787111746683

作者：周慶國

出版社：機械工業出版社

出版時間：2024年04月

編輯推薦

親自動手設計和實現一個具備基本功能的操作繫統內核是學習操作繫統的有效方式。本書以作者團隊開發的基於龍芯指令集的MaQueOS為主線，詳細介紹了操作繫統的進程管理、內存管理、文件繫統、中斷管理和外設驅動等功能的實現方法。本書采用循序漸進的寫作方式，每一章的內容均是在前一章內容基礎上對功能進行迭代而實現的，最終形成一個完整的操作繫統。書中提供了各個關鍵函數、功能的源代碼，並附有詳細的說明和注釋，讀者可通過研讀代碼理解操作繫統不同功能的實現方法以及各個功能間如何實現協同工作。

內容簡介

本書以基於LoongArch架構的教學版操作繫統MaQueOS為主線，詳細介紹了操作繫統內核的設計和實現方法。在介紹MaQueOS的功能的基礎上，依次介紹了顯示器驅動、時鐘中斷、鍵盤驅動、進程0和進程1的創建與運行、進程的掛起與喚醒、硬盤驅動、xtfs文件繫統、進程1加載可執行文件、頁例外、進程間通信和文件操作的實現方法。本書結構清晰、循序漸進，既突出操作繫統的基本原理，又強調動手實現，適合作為高校計算機類專業操作繫統相關的教材，也適合作為技術人員的參考書。

作者簡介

周慶國，1973年出生，福建人，理學博士，教授，博士生導師，蘭州谷歌開發者社區（Lanzhou GDG）負責人，現任蘭州大學分布式與嵌入式繫統實驗室主任、開源軟件與實時繫統工程研究中心副主任。已在國內外學術期刊上發表論文 51 篇（SCI 7 篇，EI 24 篇）。

目錄
前言
第0章緒論1
0.1MaQueOS的功能1
0.1.1進程管理2
0.1.2內存管理4
0.1.3文件繫統4
0.1.4外設驅動5
0.1.5中斷管理5
0.2繫統功能測試5
第1章顯示器驅動7
1.1顯示器的顯示原理7
1.1.1顯示模式7
1.1.2字符顯示7目錄
前言
第0章緒論1
0.1MaQueOS的功能1
0.1.1進程管理2
0.1.2內存管理4
0.1.3文件繫統4
0.1.4外設驅動5
0.1.5中斷管理5
0.2繫統功能測試5
第1章顯示器驅動7
1.1顯示器的顯示原理7
1.1.1顯示模式7
1.1.2字符顯示7
1.2printk函數10
1.2.1顯示字符串10
1.2.2字符擦除12
1.2.3回車換行13
1.2.4卷屏13
1.2.5刪除字符14
1.2.6panic函數15
1.3本章任務15
第2章時鐘中斷16
2.1時鐘中斷初始化16
2.1.1恆定頻率定時器16
2.1.2初始化17
2.1.3開中斷18
2.2時鐘中斷的處理過程18
2.2.1中斷硬件18
2.2.2中斷現場保存與恢復19
2.2.3中斷處理21
2.2.4中斷返回21
2.3本章任務22
第3章鍵盤驅動23
3.1物理內存管理23
3.1.1初始化24
3.1.2申請25
3.1.3釋放26
3.2初始化鍵盤中斷27
3.3鍵盤中斷的處理過程29
3.4本章任務32
第4章進程0的創建與運行34
4.1虛擬內存管理34
4.1.1初始化35
4.1.2建立頁表映射37
4.2創建進程038
4.3進程0的運行41
4.3.1進程0進入用戶態41
4.3.2TLB重填例外的處理過程42
4.4時鐘中斷的處理過程44
4.4.1中斷響應及處理44
4.4.2中斷返回46
4.5本章任務46
第5章進程1的創建與運行48
5.1創建進程148
5.1.1繫統調用48
5.1.2fork繫統調用51
5.1.3繫統調用返回54
5.2進程切換55
5.2.1時鐘中斷55
5.2.2從進程0切換到進程156
5.2.3進程1的運行59
5.3本章任務59
第6章進程的掛起、喚醒與終止60
6.1不可中斷掛起與喚醒60
6.1.1不可中斷掛起62
6.1.2喚醒不可中斷掛起進程64
6.2可中斷掛起與喚醒65
6.3進程終止66
6.3.1exit繫統調用66
6.3.2釋放進程資源67
6.4本章實例69
6.5本章任務72
第7章硬盤驅動73
7.1初始化硬盤73
7.2讀寫硬盤77
7.2.1發送讀寫命令77
7.2.2硬盤中斷處理78
7.3硬盤讀寫實例80
7.3.1創建硬盤鏡像文件81
7.3.2讀硬盤82
7.3.3寫硬盤85
7.4本章任務86
第8章xtfs文件繫統87
8.1xtfs文件繫統概述87
8.2格式化xtfs文件繫統87
8.2.1格式化xtfs.img88
8.2.2格式化實例88
8.3文件復制89
8.3.1加載0/1號數據塊90
8.3.2復制數據塊90
8.3.3創建數據塊索引表92
8.3.4初始化inode數據結構93
8.3.5寫回0/1號數據塊94
8.3.6復制實例94
8.4本章任務97
第9章進程1加載可執行文件98
9.1掛載xtfs文件繫統98
9.2xt可執行文件100
9.2.1編譯xt可執行文件100
9.2.2shell程序102
9.3加載可執行文件104
9.4進程1的運行108
9.5本章實例109
9.6本章任務109
第10章頁例外111
10.1頁無效例外111
10.1.1觸發頁無效例外112
10.1.2處理頁無效例外114
10.2頁修改例外116
10.2.1觸發頁修改例外118
10.2.2處理頁修改例外118
10.3本章實例120
10.4本章任務122
第11章進程間通信123
11.1共享內存123
11.1.1初始化123
11.1.2與共享頁建立映射的
虛擬頁125
11.1.3shmem繫統調用127
11.1.4復制頁表128
11.1.5釋放頁表129
11.1.6共享內存實例130
11.2軟件定時器131
11.2.1軟件定時器的實現原理131
11.2.2軟件定時器實例133
11.3本章任務134
第12章文件操作135
12.1創建文件135
12.1.1創建文件的過程135
12.1.2創建文件實例137
12.2寫文件140
12.2.1打開文件的過程140
12.2.2寫文件的過程141
12.2.3關閉文件的過程142
12.2.4寫文件實例144
12.3讀文件146
12.3.1讀文件的過程146
12.3.2讀文件實例146
12.4刪除文件147
12.4.1刪除文件的過程147
12.4.2刪除文件實例149
12.5本章任務150
附錄151
附錄A實驗環境的搭建151
附錄BLoongArch彙編指令153
附錄CLoongArch控制狀態寄存器157
附錄DMaQueOS庫函數159
附錄E飛機大戰程序設計163

前言

前言
編寫初衷
早在2019年，我們就計劃撰寫一本用於操作繫統實驗課程的教材。當時的思路是對基於x86架構的Linux 0.11內核進行深入分析後，從零開始一步一步實現一個用於教學的Linux 0.11操作繫統內核。但是，按照這個思路，要分析1萬多行源代碼，所以進展緩慢。幸運的是，龍芯中科基於二十年的CPU研發經驗和生態建設積累，於2020年推出了LoongArch架構。我們實驗室於2021年和龍芯中科合作了產學合作項目—“基於LoongArch架構的教學版操作繫統內核”。2022年，作為該項目的重要成果，MaQueOS誕生了。
MaQueOS簡介
MaQueOS是一個開源的基於LoongArch架構的教學版操作繫統。作為一個教學版操作繫統，MaQueOS的代碼雖然隻有1000多行，但是它實現了操作繫統核心的進程管理、內存管理、文件繫統、中斷管理和外設驅動等功能子繫統，並為應用程序提供了16個繫統調用接口。前言
編寫初衷
早在2019年，我們就計劃撰寫一本用於操作繫統實驗課程的教材。當時的思路是對基於x86架構的Linux 0.11內核進行深入分析後，從零開始一步一步實現一個用於教學的Linux 0.11操作繫統內核。但是，按照這個思路，要分析1萬多行源代碼，所以進展緩慢。幸運的是，龍芯中科基於二十年的CPU研發經驗和生態建設積累，於2020年推出了LoongArch架構。我們實驗室於2021年和龍芯中科合作了產學合作項目—“基於LoongArch架構的教學版操作繫統內核”。2022年，作為該項目的重要成果，MaQueOS誕生了。
MaQueOS簡介
MaQueOS是一個開源的基於LoongArch架構的教學版操作繫統。作為一個教學版操作繫統，MaQueOS的代碼雖然隻有1000多行，但是它實現了操作繫統核心的進程管理、內存管理、文件繫統、中斷管理和外設驅動等功能子繫統，並為應用程序提供了16個繫統調用接口。
MaQueOS由Linux 0.11內核深度裁剪而來，並完成了從x86架構到LoongArch架構的移植。其中，對所有外設驅動程序（硬盤、鍵盤和顯示器）進行了重寫。除此之外，不同於Linux 0.11支持MINIX文件繫統、a.out可執行文件和基於管道操作的進程間通信機制，MaQueOS支持自定義的xtfs格式的文件繫統、xt格式的可執行文件和基於共享內存的進程間通信機制。
其中，xtfs文件繫統是一個極小型的文件繫統，僅用100多行代碼就實現了文件的創
建/刪除、打開/關閉和讀/寫操作，以及文件繫統掛載功能。xt可執行文件包括一個大小為512字節的可執行文件頭和代碼數據被鏈接在一起的二進制可執行代碼，因此對xt可執行文件的加載過程相當簡潔。基於共享內存的進程間通信機制的實現也比基於管道操作的進程間通信機制的實現更簡單、高效。
目標讀者
本書詳細地介紹了MaQueOS的實現過程，適合作為高校計算機及相關專業操作繫統原理課程的補充讀物和實驗課程的教材。除此之外，本書也可以作為學習Linux內核原理的讀者的入門參考書。
各章內容簡介
本書以MaQueOS的實現過程為主線，介紹了如何從零開始實現一個操作繫統。本書最大的特點是采用循序漸進的方式組織內容，每章的內容都是在上一章內容的基礎上實現的。通過第1～12章內容的迭代，讀者可以對操作繫統的實現過程有更加深入的理解。
本書大部分章都有一個（或者多個）實例，用於驗證該章實現的功能。第1～12章的最後都安排了數量不等的任務，讀者可以通過完成這些任務，更好地掌握各章的內容。本書各章的主要內容如下：
第0章：簡述MaQueOS支持的功能，以及驗證這些功能的測試應用程序。
第1章：介紹顯示器的組成以及顯示原理，在此基礎上詳細地描述MaQueOS的顯示器驅動程序的實現細節，包括字符的顯示和擦除操作、回車換行的處理、卷屏的操作和刪除字符的過程以及panic函數。
第2章：介紹LoongArch架構提供的用於產生時鐘中斷的恆定頻率定時器的使用原理，以及LoongArch架構支持的13個中斷類型。然後，介紹時鐘中斷的初始化過程、開中斷的過程，並詳細地描述產生時鐘中斷後MaQueOS處理時鐘中斷的過程。
第3章：介紹MaQueOS的物理內存管理機制，描述MaQueOS在內核態下使用的虛擬地址到物理地址的地址轉換模式，並重點介紹3A處理器和7A橋片中與中斷有關的控制器的功能，以及鍵盤驅動程序的實現。
第4章：介紹MaQueOS使用的虛擬內存管理機制，重點描述MaQueOS使用的基於二級頁表結構的頁表映射；描述MaQueOS在用戶態下使用的虛擬地址到物理地址的地址轉換模式，以及如何在二級頁表結構中建立虛擬頁和物理頁之間的映射關繫；描述用於進程管理的數據結構（進程描述符）、進程0的創建過程，以及從內核態進入用戶態運行進程0的可執行代碼的過程、TLB重填例外的處理過程和時鐘中斷處理過程。
第5章：介紹MaQueOS為應用程序提供服務的繫統調用的處理過程，主要包括在用戶態下調用繫統調用、從用戶態進入內核態後保存中斷現場、繫統調用的處理過程和繫統調用的返回等。最後，介紹在CPU上運行多個進程時，MaQueOS引入的基於時間片的進程間切換機制。
第6章：討論MaQueOS的進程掛起、喚醒與終止機制，重點描述子進程如何向父進程發送終止信號、父進程如何接收並處理終止信號以及最終父進程如何釋放子進程占用的繫統資源。
第7章：介紹SATA硬盤的接口標準AHCI，並基於AHCI接口標準詳細描述SATA硬盤的初始化和讀寫過程。在讀寫硬盤過程中涉及的硬盤中斷處理過程類似於第3章中介紹的鍵盤中斷處理過程。
第8章：介紹MaQueOS目前唯一支持的xtfs文件繫統，包括xtfs文件繫統的格式和涉及的數據結構；詳細地描述如何將一個硬盤鏡像文件格式化為xtfs文件繫統，以及如何將一個普通文件復制到xtfs文件繫統。
第9章：介紹MaQueOS如何掛載第8章中介紹的xtfs文件繫統，以及MaQueOS目前唯一支持的xt可執行文件格式；描述專門為MaQueOS開發的用於和用戶進行交互的shell程序xtsh的實現；著重介紹MaQueOS加載運行xt可執行文件的過程。
第10章：介紹頁無效例外和頁修改例外的觸發條件，以及可能發生頁無效例外和頁修改例外的場景；描述在前幾章內容的基礎上實現的MaQueOS對頁無效例外和頁修改例外的支持；介紹頁無效例外和頁修改例外在LoongArch架構中的觸發條件，以及發生頁無效例外和頁修改例外後的處理過程。
第11章：介紹MaQueOS支持的基於共享內存的進程間通信機制，以及共享內存機制在MaQueOS中的具體實現；說明由於共享內存機制的引入，對復制和釋放頁表操作的修改；詳細介紹MaQueOS支持的軟件定時器的實現原理。
第12章：介紹xtfs文件繫統中基本文件操作的具體實現，包括文件的創建、刪除、打開、關閉和讀寫等。
附錄：附錄A介紹如何搭建實驗環境；附錄B介紹在MaQueOS中使用的LoongArch彙編指令；附錄C對MaQueOS涉及的LoongArch控制狀態寄存器進行說明；附錄D介紹MaQueOS內核代碼使用的庫函數，這些庫函數都位於include目錄下的xtos.h頭文件中；附錄E描述飛機大戰程序的概要設計。
致謝
感謝參與“基於LoongArch架構的教學版操作繫統內核”項目的蘭州大學信息科學與工程學院的研究生和本科生。他們是：
前期在分析、裁剪Linux 0.11內核源碼過程中，參與文件繫統部分工作的錢浩萊、李城煒、葉楚瑋同學，參與內存管理部分工作的邵嵐曄、陳之帆、張昱寬同學，參與引導繫統部分工作的魯葉木、孔俊同學，參與進程管理部分工作的陶蒙媛、王天同、馮柳源同學，參與中斷繫統部分工作的孫川卜同學，參與字符設備部分工作的徐楚佳、張浩文同學，參與塊設備部分工作的張芝林、張鈞同學。
後期在從x86架構移植到LoongArch架構過程中，參與移植工作的邵若忱、蔣遠博、呂銳、王天一、葉清揚、聶嘉一同學。
在本書撰寫過程中，參與資料準備和部分編寫工作的程延博、張斯奕、王鶴陽、楊柳、吳鴻傑、李豐耘同學，以及參與校稿的安卓君同學。
最後特別感謝機械工業出版社的各位編輯為本書出版提供的專業意見和建議。
聯繫我們
如果您發現書中有任何問題，或者對本書有任何意見、建議，請通過郵箱dslab@lzu.edu.cn與作者聯繫。
作者
2024年1月

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