前　　言
編寫初衷
早在2019年，我們就計劃撰寫一本用于操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的教材。當(dāng)時的思路是對基于x86架構(gòu)的Linux 0.11內(nèi)核進(jìn)行深入分析后，從零開始一步一步實(shí)現(xiàn)一個用于教學(xué)的Linux 0.11操作系統(tǒng)內(nèi)核。但是，按照這個思路，要分析1萬多行源代碼，所以進(jìn)展緩慢。幸運(yùn)的是，龍芯中科基于二十年的CPU研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和生態(tài)建設(shè)積累，于2020年推出了LoongArch架構(gòu)。我們實(shí)驗(yàn)室于2021年和龍芯中科合作了產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目—“基于LoongArch架構(gòu)的教學(xué)版操作系統(tǒng)內(nèi)核”。2022年，作為該項(xiàng)目的重要成果，MaQueOS誕生了。
MaQueOS簡介
MaQueOS是一個開源的基于LoongArch架構(gòu)的教學(xué)版操作系統(tǒng)。作為一個教學(xué)版操作系統(tǒng)，MaQueOS的代碼雖然只有1000多行，但是它實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)核心的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、中斷管理和外設(shè)驅(qū)動等功能子系統(tǒng)，并為應(yīng)用程序提供了16個系統(tǒng)調(diào)用接口。
MaQueOS由Linux 0.11內(nèi)核深度裁剪而來，并完成了從x86架構(gòu)到LoongArch架構(gòu)的移植。其中，對所有外設(shè)驅(qū)動程序（硬盤、鍵盤和顯示器）進(jìn)行了重寫。除此之外，不同于Linux 0.11支持MINIX文件系統(tǒng)、a.out可執(zhí)行文件和基于管道操作的進(jìn)程間通信機(jī)制，MaQueOS支持自定義的xtfs格式的文件系統(tǒng)、xt格式的可執(zhí)行文件和基于共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信機(jī)制。
其中，xtfs文件系統(tǒng)是一個極小型的文件系統(tǒng)，僅用100多行代碼就實(shí)現(xiàn)了文件的創(chuàng)
建/刪除、打開/關(guān)閉和讀/寫操作，以及文件系統(tǒng)掛載功能。xt可執(zhí)行文件包括一個大小為512字節(jié)的可執(zhí)行文件頭和代碼數(shù)據(jù)被鏈接在一起的二進(jìn)制可執(zhí)行代碼，因此對xt可執(zhí)行文件的加載過程相當(dāng)簡潔�；�于共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也比基于管道操作的進(jìn)程間通信機(jī)制的實(shí)現(xiàn)更簡單、高效。
目標(biāo)讀者
本書詳細(xì)地介紹了MaQueOS的實(shí)現(xiàn)過程，適合作為高校計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)操作系統(tǒng)原理課程的補(bǔ)充讀物和實(shí)驗(yàn)課程的教材。除此之外，本書也可以作為學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核原理的讀者的入門參考書。
各章內(nèi)容簡介
本書以MaQueOS的實(shí)現(xiàn)過程為主線，介紹了如何從零開始實(shí)現(xiàn)一個操作系統(tǒng)。本書最大的特點(diǎn)是采用循序漸進(jìn)的方式組織內(nèi)容，每章的內(nèi)容都是在上一章內(nèi)容的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。通過第1～12章內(nèi)容的迭代，讀者可以對操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(shí)例，用于驗(yàn)證該章實(shí)現(xiàn)的功能。第1～12章的最后都安排了數(shù)量不等的任務(wù)，讀者可以通過完成這些任務(wù)，更好地掌握各章的內(nèi)容。本書各章的主要內(nèi)容如下：
第0章：簡述MaQueOS支持的功能，以及驗(yàn)證這些功能的測試應(yīng)用程序。
第1章：介紹顯示器的組成以及顯示原理，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)地描述MaQueOS的顯示器驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，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(shù)。
第2章：介紹LoongArch架構(gòu)提供的用于產(chǎn)生時鐘中斷的恒定頻率定時器的使用原理，以及LoongArch架構(gòu)支持的13個中斷類型。然后，介紹時鐘中斷的初始化過程、開中斷的過程，并詳細(xì)地描述產(chǎn)生時鐘中斷后MaQueOS處理時鐘中斷的過程。
第3章：介紹MaQueOS的物理內(nèi)存管理機(jī)制，描述MaQueOS在內(nèi)核態(tài)下使用的虛擬地址到物理地址的地址轉(zhuǎn)換模式，并重點(diǎn)介紹3A處理器和7A橋片中與中斷有關(guān)的控制器的功能，以及鍵盤驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)。
第4章：介紹MaQueOS使用的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制，重點(diǎn)描述MaQueOS使用的基于二級頁表結(jié)構(gòu)的頁表映射；描述MaQueOS在用戶態(tài)下使用的虛擬地址到物理地址的地址轉(zhuǎn)換模式，以及如何在二級頁表結(jié)構(gòu)中建立虛擬頁和物理頁之間的映射關(guān)系；描述用于進(jìn)程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（進(jìn)程描述符）、進(jìn)程0的創(chuàng)建過程，以及從內(nèi)核態(tài)進(jìn)入用戶態(tài)運(yùn)行進(jìn)程0的可執(zhí)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(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)調(diào)用的處理過程，主要包括在用戶態(tài)下調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用、從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后保存中斷現(xiàn)場、系統(tǒng)調(diào)用的處理過程和系統(tǒng)調(diào)用的返回等。最后，介紹在CPU上運(yùn)行多個進(jìn)程時，MaQueOS引入的基于時間片的進(jìn)程間切換機(jī)制。
第6章：討論MaQueOS的進(jìn)程掛起、喚醒與終止機(jī)制，重點(diǎn)描述子進(jìn)程如何向父進(jìn)程發(fā)送終止信號、父進(jìn)程如何接收并處理終止信號以及最終父進(jìn)程如何釋放子進(jìn)程占用的系統(tǒng)資源。
第7章：介紹SATA硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)AHCI，并基于AHCI接口標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)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于第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文件系統(tǒng)，包括xtfs文件系統(tǒng)的格式和涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；詳細(xì)地描述如何將一個硬盤鏡像文件格式化為xtfs文件系統(tǒng)，以及如何將一個普通文件復(fù)制到xtfs文件系統(tǒng)。
第9章：介紹MaQueOS如何掛載第8章中介紹的xtfs文件系統(tǒng)，以及MaQueOS目前唯一支持的xt可執(zhí)行文件格式；描述專門為MaQueOS開發(fā)的用于和用戶進(jìn)行交互的shell程序xtsh的實(shí)現(xiàn)；著重介紹MaQueOS加載運(yùn)行xt可執(zhí)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(fā)條件，以及可能發(fā)生頁無效例外和頁修改例外的場景；描述在前幾章內(nèi)容的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(gòu)中的觸發(fā)條件，以及發(fā)生頁無效例外和頁修改例外后的處理過程。
第11章：介紹MaQueOS支持的基于共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信機(jī)制，以及共享內(nèi)存機(jī)制在MaQueOS中的具體實(shí)現(xiàn)；說明由于共享內(nèi)存機(jī)制的引入，對復(fù)制和釋放頁表操作的修改；詳細(xì)介紹MaQueOS支持的軟件定時器的實(shí)現(xiàn)原理。
第12章：介紹xtfs文件系統(tǒng)中基本文件操作的具體實(shí)現(xiàn)，包括文件的創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉和讀寫等。
附錄：附錄A介紹如何搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境；附錄B介紹在MaQueOS中使用的LoongArch匯編指令；附錄C對MaQueOS涉及的LoongArch控制狀態(tài)寄存器進(jìn)行說明；附錄D介紹MaQueOS內(nèi)核代碼使用的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)都位于include目錄下的xtos.h頭文件中；附錄E描述飛機(jī)大戰(zhàn)程序的概要設(shè)計。
致謝
感謝參與“基于LoongArch架構(gòu)的教學(xué)版操作系統(tǒng)內(nèi)核”項(xiàng)目的蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究生和本科生。他們是：
前期在分析、裁剪Linux 0.11內(nèi)核源碼過程中，參與文件系統(tǒng)部分工作的錢浩萊、李城煒、葉楚瑋同學(xué)，參與內(nèi)存管理部分工作的邵嵐曄、陳之帆、張昱寬同學(xué)，參與引導(dǎo)系統(tǒng)部分工作的魯葉木、孔俊同學(xué)，參與進(jìn)程管理部分工作的陶蒙媛、王天同、馮柳源同學(xué)，參與中斷系統(tǒng)部分工作的孫川卜同學(xué)，參與字符設(shè)備部分工作的徐楚佳、張浩文同學(xué)，參與塊設(shè)備部分工作的張芝林、張鈞同學(xué)。
后期在從x86架構(gòu)移植到LoongArch架構(gòu)過程中，參與移植工作的邵若忱、蔣遠(yuǎn)博、呂銳、王天一、葉清揚(yáng)、聶嘉一同學(xué)。
在本書撰寫過程中，參與資料準(zhǔn)備和部分編寫工作的程延博、張斯奕、王鶴陽、楊柳、吳鴻杰、李豐耘同學(xué)，以及參與校稿的安卓君同學(xué)。
最后特別感謝機(jī)械工業(yè)出版社的各位編輯為本書出版提供的專業(yè)意見和建議。
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作　者
2024年1月