TP316/CHX编辑推荐iv> 只需30天

从零开始编写一个五脏俱全的图形操作系统

39.1KB迷你系统

实现多任务、汉字显示、文件压缩，还能听歌看图玩游戏

日本编程天才

揭开CPU、内存、磁盘以及操作系统底层工作模式的神秘面纱

内容推荐 自己编写一个操作系统，是许多程序员的梦想。也许有人曾经挑战过，但因为太难而放弃了。其实你错了，你的失败并不是因为编写操作系 统太难，而是因为没有人告诉你那其实是一件很简单的事。那么，你想不想再挑战一次呢？

这是一本兼具趣味性、实用性与学习性的书籍。作者从计算机的构造、汇编语言、C语言开始解说，让你在实践中掌握算法。在这本书的指导下，从零编写所有代码，30天后就可以制作出一个具有窗口系统的32位多任务操作系统。

本书以课题为主导，边做边玩，抛开晦涩难懂的语言，行文风格十分随性，还充满了各种欢乐的吐槽，适合操作系统爱好者和程序设计人员阅读。

作者简介 川合秀实（Hidemi Kawai）

生于1975年，是一位以“轻量化”编程思想见长的“非主流”开发者。2000年因自行开发的OSASK项目而名声大噪。OSASK是一个开源的32位微型操作系统，它并非以Linux等内核为基础，而是完全从零开始开发，在一张软盘的容量下实现了GUI、多任务、多语言等高级特性，启动时间只需1秒。本书的内容可以看成是作者以OSASK为蓝本，教会读者从零开始开发一个操作系统，同时可以让初学者在编写操作系统的过程中，了解操作系统背后更多的知识。

目录第0天 着手开发之前

1 前言

2 何谓操作系统

3 开发操作系统的各种方法

4 无知则无畏

5 如何开发操作系统

6 操作系统开发中的困难

7 学习本书时的注意事项（重要！）

8 各章内容摘要

第1天 从计算机结构到汇编程序入门

1 先动手操作

2 究竟做了些什么

3 初次体验汇编程序

4 加工润色

第2天 汇编语言学习与Makefile入门显示全部信息前言“好想编写一个操作系统呀！”笔者的朋友曾说这是所有程序员都曾经怀揣的一个梦想。说“所有的程序员”可能有点夸张了，不过作为程序员的梦想，它至少也应该能排进前十名吧。

也许很多人觉得编写操作系统是个天方夜谭，这一定是操作系统业界的一个阴谋（笑）。他们故意让大家相信编写操作系统是一件非常困难的事情，这样就可以高价兜售自己开发的操作系统，而且操作系统的作者还会被顶礼膜拜。那么实际情况又怎么样呢？和别的程序相比，其实编写操作系统并没有那么难，至少笔者的感觉是这样。

在各位读者之中，也许有人曾经挑战过操作系统的编写，但因为太难而放弃了。拥有这样经历的人也许不会认同笔者的观点。其实你错了，你的失败并不是因为编写操作系统太难，而是因为没有人告诉你那其实是一件很简单的事而已。

不仅是编写操作系统，任何事都是一样的。如果讲解的人认为它很难，那就不可能把它讲述得通俗易懂，即便是同样的内容，也会讲得无比复杂。这样的讲解，肯定是很难懂的。

那么，你想不想和笔者一起再挑战一次呢？如果你曾经梦想过编写自己的操作系统，一定会觉得乐在其中的。显示全部信息在线试读部分章节 1.挑战任务切换（harib12a）

“话说，多任务到底是啥呢？”我们今天的内容，就从这个问题开始吧。

多任务，在英语中叫做“multitask”，顾名思义就是“多个任务”的意思。简单地说，在Windows等操作系统中，多个应用程序同时运行的状态（也就是同时打开好几个窗口的状态）就叫做多任务。

对于生活在现代社会的各位来说，这种多任务简直是理所当然的事情。比如你会一边用音乐播放软件听音乐一边写邮件，邮件写到一半忽然有点东西要查，便打开Web浏览器上网搜索。这对于大家来说这些都是家常便饭了吧。可如果没有多任务的话会怎么样呢？想写邮件的时候就必须关掉正在播放的音乐，要查东西的时候就必须先保存写到一半的邮件，然后才能打开Web浏览器……光想象一下就会觉得太不方便了。

然而在从前，没有多任务反倒是普遍的情形（那个时候大家不用电脑听音乐，也没有互联网）。在那个年代，电脑一次只能运行一个程序，如果要同时运行多个程序的话，就得买好几台电脑才行。

就在那个时候，诞生了最初的多任务操作系统，大家都觉得太了不起了。从现在开始，我们也要准备给“纸娃娃系统”添加执行多任务的能力了。连这样一个小不点儿操作系统都能够实现多任务，真是让人不由地感叹它生逢其时呀。

稍稍思考一下我们就会发现，多任务这个东西还真是奇妙，它究竟是怎样做到让多个程序同时运行的呢？如果我们的电脑里面装了好多个CPU的话，同时运行多个程序倒也顺理成章，但实际上就算我们只有一个CPU，照样可以实现多任务。

其实说穿了，这些程序根本没有在同时运行，只不过看上去好像是在同时运行一样：程序A运行一会儿，接下来程序B运行一会儿，再接下来轮到程序C，然后再回到程序A……如此反复，有点像日本忍者的“分身术”呢（笑）。

为了让这种分身术看上去更完美，需要让操作系统尽可能快地切换任务。如果10秒才切换一次，那就连人眼都能察觉出来了，同时运行多个程序的戏码也就穿帮了。再有，如果我们给程序C发出一个按键指令，正巧这个瞬间系统切换到了程序A的话，我们就不得不等上20秒，才能重新轮到程序C对按键指令作出反应。这实在是让人抓狂啊（哭）。

在一般的操作系统中，这个切换的动作每0.01～0.03秒就会进行一次。当然，切换的速度越快，让人觉得程序是在同时运行的效果也就越好。不过，CPU进行程序切换（我们称为“任务切换”）这个动作本身就需要消耗一定的时间，这个时间大约为0.0001秒左右，不同的CPU及操作系统所需的时间也有所不同。如果CPU每0.0002秒切换一次任务的话，该CPU处理能力的50%都要被任务切换本身所消耗掉。这意味着，如果同时运行2个程序，每个程序的速度就只有单独运行时的1/4，这样你会觉得开心吗？如果变成这种结果，那还不如干脆别搞多任务呢。

相比之下，即便是每0.001秒切换一次任务，单单在任务切换上面也要消耗CPU处理能力的10%。大概有人会想，10%也没什么大不了的吧？可如果你看看速度快10%的CPU卖多少钱，说不定就会恍然大悟，“对啊，只要优化一下任务切换间隔，就相当于一分钱也不花，便换上了比现在更快的CPU嘛……”（笑），你也就明白了浪费10%也是很不值得的。正是因为这个原因，任务切换的间隔最短也得0.01秒左右，这样一来只有1%的处理能力消耗在任务切换上，基本上就可以忽略不计了。

关于多任务是什么的问题，已经大致讲得差不多了，接下来我们来看看如何让CPU来处理多任务。

当你向CPU发出任务切换的指令时，CPU会先把寄存器中的值全部写入内存中，这样做是为了当以后切换回这个程序的时候，可以从中断的地方继续运行。接下来，为了运行下一个程序，CPU会把所有寄存器中的值从内存中读取出来（当然，这个读取的地址和刚刚写入的地址一定是不同的，不然就相当于什么都没变嘛），这样就完成了一次切换。我们前面所说的任务切换所需要的时间，正是对内存进行写入和读取操作所消耗的时间。

接下来我们来看看寄存器中的内容是怎样写入内存里去的。下面这个结构叫做“任务状态段”（task statussegment），简称TSS。TSS有16位和32位两个版本，这里我们使用32位版。顾名思义，TSS也是内存段的一种，需要在GDT中进行定义后使用。

struct TSS32 {

int backlink， esp0， ss0， esp1， ss1， esp2， ss2， cr3；

int eip， eflags， eax， ecx， edx， ebx， esp， ebp， esi， edi；

int es， cs， ss， ds， fs， gs；

int ldtr， iomap；

}；

参考上面的结构定义，TSS共包含26个int成员，总计104字节（摘自CPU的技术资料），我特意把它们分成4行来写。从开头的backlink起，到cr3为止的几个成员，保存的不是寄存器的数据，而是与任务设置相关的信息，在执行任务切换的时候这些成员不会被写入（backlink除外，某些情况下是会被写入的）。后面的部分中我们会用到这里的设定，不过现在你完全可以先忽略它。

第2行的成员是32位寄存器，第3行是16位寄存器，应该没必要解释了吧……不对，eip好像到现在还没讲过呢。EIP的全称是“extendedinstructionpointer”，也就是“扩展指令指针寄存器”的意思。这里的“扩展”代表它是一个32位寄存器，也就是说其对应的16位版本叫做IP，类比一下的话，跟EAX与AX之间的关系是一样的。

EIP是CPU用来记录下一条需要执行的指令位于内存中哪个地址的寄存器，因此它才被称为“指令指针”。如果没有这个寄存器，记性不好的CPU就会忘记自己正在运行哪里的程序，于是程序就没办法正常运行了。每执行一条指令，EIP寄存器中的值就会自动累加，从而保证一直指向下一条指令所在的内存地址。

说点题外话，JMP指令实际上是一个向EIP寄存器赋值的指令。JMP 0x1234这种写法，CPU会解释为MOVEIP，0x1234，并向EIP赋值。也就是说，这条指令其实是篡改了CPU记忆中下一条该执行的指令的地址，蒙了CPU一把。这样一来，CPU在读取下一条指令时，就会去读取0x1234这个地址中的指令。你看，这不就相当于是做了一个跳转吗？

对了，如果你在汇编语言里用MOV EIP，0x1234这种写法是会出错的，还是不要尝试的好。在汇编语言中，应该使用JMP0x1234来代替MOV EIP，0x1234。

如果在TSS中将EIP寄存器的值记录下来，那么当下次再返回这个任务的时候，CPU就可以明白应该从哪里读取程序来运行了。

按照常识，段寄存器应该是16位的才对，可是在TSS数据结构中却定义成了int（也就是DWORD）类型。我们可以大胆想象一下，说不定英特尔公司的人将来会把段寄存器变成32位的，这样想想也挺有意思的呢（笑）。

第4行的ldtr和iomap也和第1行的成员一样，是有关任务设置的部分，因此在任务切换时不会被CPU写入。也许你会想，那就和第1行一样，暂时先忽略好了--但那可是绝对不行的！如果胡乱赋值的话，任务就无法正常切换了，在这里我们先将ldtr置为0，将iomap置为0x40000000就好了。

……