站在操作系统的最底层,了解操作系统的启动,与物理硬件:CPU,内存和多种外设实现“零距离”接触,看到它们并管理它们!
- 与操作系统原理相关
- I/O设备管理:涉及程序循环检测方式和中断启动方式、I/O地址空间
- 内存管理:基于分段机制的内存管理
- 异常处理:涉及中断、故障和陷阱
- 特权级:内核态和用户态
- 计算机系统和编程
- 硬件
- PC从加电到加载操作系统内核的整个过程
- OS内核在内存中的布局
- 并口访问、串口访问、CGA字符显示、硬盘数据访问、时钟访问
- 软件
- ELF执行文件格式
- 栈的实现并实现函数调用栈跟踪函数
- 调试操作系统
- 硬件
读者通过阅读本章的内容并动手实践相关的6个实验项目:
- proj1:能够切换到保护模式并显示字符的bootloader
- proj2/3:可读ELF格式文件的bootloader和显示字符的ucore
- proj3.1:内置监控自身运行状态的ucore
- proj4:可管理中断和处理基于中断的键盘/时钟的ucore
- proj4.1.1:支持通过中断方式的内核态/用户态切换的ucore
其实这一章的内容与操作系统原理相关的部分较少,与计算机体系结构(特别是x86)的细节相关的部分较多。但这些内容对写一个操作系统关系较大,要知道操作系统是直接与硬件打交道的软件,所以它需要“知道”需要硬件细节,才能更好地控制硬件。另一方面,部分内容涉及到操作系统的重要抽象--中断类异常,能够充分理解中断类异常为以后进一步了解进程切换、上下文切换等概念会很有帮助。
本章的实验内容涉及的是写一个bootloader能够启动一个操作系统--ucore。在完成bootloader的过程中,逐渐增加bootloader和ucore的能力,涉及x86处理器的保护模式切换、解析ELF执行文件格式等,这对于理解操作系统的加载过程以及在操作系统在内存中的位置、内存管理、用户态与内核态的区别等有帮助。而相关project中bootloader和操作系统本身的字符显示的I/O处理、读硬盘数据的I/O处理、键盘/时钟的中断处理等内容,则是操作系统原理中一般在靠后位置提到的设备管理的实际体现。纵观操作系统的发展史,从早期到现在的操作系统主要功能之一就是完成繁琐的I/O处理,给上层应用提供比较简洁的I/O服务,屏蔽硬件处理的复杂性。这也是操作系统的虚拟机功能的体现。另外,本章还介绍了对硬件模拟器的使用,对操作系统的panic处理和远程debug功能的支持,这样有助于读者能够方便地分析操作系统中的错误和调试操作系统。由于本章涉及的硬件知识较多,无疑增大了读者的阅读难度,需要读者在结合阅读本章并实际动手实验来进行深入理解。