前　　言
為什么要寫本書
在做云計算時，某天我突然興起，探究了一下QEMU的作者，當(dāng)時非常好奇是什么人能寫出這么強大的融合計算機軟件和硬件的作品。那是我第一次知道計算機奇才Fabrice Bellard。除了QEMU， Bellard還開發(fā)了大名鼎鼎的被稱作音視頻領(lǐng)域 瑞士軍刀的FFmpeg，編寫了編譯器TinyCC和3D渲染引擎TinyGL。此外，他僅用10個月的時間就實現(xiàn)了一個軟基站。Bellard的著名作品不勝枚舉。
Bellard的觸類旁通能力令人嘆為觀止，有人說他一個人就可以抵得上一個精英團(tuán)隊，這種能力與他對計算機本質(zhì)的理解是分不開的。在Andy Gocke和Nick Pizzolato寫的關(guān)于Bellard的一篇小傳中提到，Bellard認(rèn)為學(xué)習(xí)計算機最重要的兩個方面是研究計算機是如何工作的以及對計算本身的研究。
Bellard放在第一位的就是學(xué)習(xí)計算機的基本工作原理。Andy Gocke和Nick Pizzolato認(rèn)為，Bellard自9歲就開始使用類似機器代碼的語言編程，后來逐漸擴(kuò)展到高級語言，這種學(xué)習(xí)經(jīng)歷使他對計算機原理的理解非常深刻。時至今日，Bellard依然認(rèn)為有抱負(fù)的計算機科學(xué)家必須通過學(xué)習(xí)匯編語言以及計算機硬件來深入理解計算機的工作方式。
要理解計算機是如何工作的，沒有什么是比寫一個操作系統(tǒng)更好的方式了。通過動手編寫操作系統(tǒng)，我們可以深刻地洞悉計算機的運行原理。在深刻理解計算機的運行原理后，在編寫程序時，我們的思路將不再局限于使用語法表達(dá)邏輯的層面，而是能夠站在計算機的角度思考，每寫出一行代碼，都能清楚每一個變量在內(nèi)存中是如何分配和存儲的，以及在計算機系統(tǒng)的各個部件間是如何流轉(zhuǎn)的，從而理解每一個計算是如何完成的。這不僅對開發(fā)操作系統(tǒng)本身有意義，還可以使我們在全棧開發(fā)中寫出高質(zhì)量的程序。
回顧我自己的經(jīng)歷，我曾經(jīng)認(rèn)為匯編、微機原理等在編程中根本用不到，所以簡單地應(yīng)付考試了之，沒有深入理解相關(guān)內(nèi)容。之后我花了大量的時間來學(xué)習(xí)各種編程語言的語法，但還是常被各種紛繁復(fù)雜的語法糖繞得暈頭轉(zhuǎn)向。直到自己動手寫操作系統(tǒng)，因為需要而逼迫自己學(xué)習(xí)匯編，我才越來越深刻地體會到，如果基礎(chǔ)打得好，根本不需要耗費那么多時間去學(xué)習(xí)那些語法。我們在大好的青春年華中本末倒置地花費了太多時間去學(xué)習(xí)表面上的東西，花了太多的時間在語言層面兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，而沒有觸碰本質(zhì)。
在這些年的探索過程中，我發(fā)現(xiàn)很多計算機領(lǐng)域的著名人物都是很小就開始學(xué)習(xí)計算機，他們都是在學(xué)生時代參透了計算機的本質(zhì)，在年富力強時開始產(chǎn)出。而我們則更多是在年富力強時才懂得并且開始學(xué)習(xí)，雖然也很勤奮努力，但事實上起步晚了若干年。雖然我們現(xiàn)在也開始提倡青少年學(xué)習(xí)編程，但是基本還是在學(xué)習(xí)語言，而不是學(xué)習(xí)深層次的計算機工作原理。
于是，在我自己的孩子過了9歲時，我就開始讓他接觸計算機，首先讓他從了解計算機的基本原理開始，然后學(xué)習(xí)匯編語言和高級語言，最后帶著他動手寫操作系統(tǒng)。我希望他在學(xué)習(xí)知識的黃金時期，能正向地學(xué)習(xí)計算機，悟透計算機的本質(zhì)，而不要再重復(fù)我在探索過程中走過的各種彎路，少浪費青春年華。
我們想將這些經(jīng)驗分享給所有學(xué)習(xí)計算機的人，于是就有了今天這本書。
本書讀者對象
少年強則國強，青少年是我國計算機發(fā)展的未來。本書刻意兼顧了青少年的知識儲備和理解能力，希望能幫助他們深入了解計算本質(zhì)，而不僅僅是浮在編程表面。
對于正在學(xué)習(xí)或者準(zhǔn)備學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)技術(shù)的大學(xué)生來說，這本書可以作為操作系統(tǒng)課程的實踐教材。他們可以結(jié)合書中內(nèi)容自己動手實現(xiàn)一個完整的操作系統(tǒng)，以對抽象的理論知識有一個感性的認(rèn)識。這本書也可以作為匯編語言以及C語言的實踐教材。
對于軟件研發(fā)相關(guān)的從業(yè)人員來說，這本書可以幫助他們深刻地理解計算機和操作系統(tǒng)的原理。無論是應(yīng)用軟件開發(fā)人員，還是中間件以及操作系統(tǒng)底層開發(fā)人員，要想成為一名合格的程序員，深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)技術(shù)是必不可少的。
最后，這本書寫給所有想了解計算機如何工作以及所有和我一樣懷揣操作系統(tǒng)夢的操作系統(tǒng)愛好者，希望這本書能讓他們順利地穿越操作系統(tǒng)迷霧，深刻領(lǐng)悟計算機工作原理。
如何閱讀本書
本書從邏輯上可以分為上、下兩篇。上篇（第1～5章）首先講述了計算機的基本原理，從電子計算機如何使用電進(jìn)行計算開始，講述了電是如何抽象為信息的，處理器是怎樣進(jìn)行運算的，內(nèi)存是怎樣存儲信息的，處理器和內(nèi)存是如何通過總線通信的，處理器又是如何訪問外設(shè)的，等等。接著講述了這些部件是如何結(jié)合起來運行程序的。
然后從機器語言開始講起，通過使用機器語言編寫程序，幫助讀者深刻理解指令和程序。接著講述了匯編語言和C語言。第4章結(jié)合匯編語言講述了計算機體系結(jié)構(gòu)。第5章從C編譯器如何將C語法翻譯為匯編語言的角度入手，聚焦于語法后面的本質(zhì)，希望能讓讀者徹底地理解C語言，而不再糾纏在指針等復(fù)雜的語法上。
下篇（第6～14章）從0到1實現(xiàn)了一個操作系統(tǒng)。我們從引導(dǎo)開始講起，然后闡述了內(nèi)存管理、進(jìn)程、中斷和異常、進(jìn)程調(diào)度、系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程間通信，最后實現(xiàn)了顯示器上的字符和圖形輸出以及從