《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》对操作系统的内存管理、进程管理、进程协调和同步、进程间通信、实时时钟管理、设备无关的I/O、设备驱动、网络协议、文件系统等进行了详细的介绍，并利用分层的设计范式，以一种有序、易于理解的方式来阐述这些内容。《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》以Xinu操作系统为系统设计的样板和模式，从一个裸机开始，一步一步地设计和实现一个小型但优雅的操作系统。本书的样本代码可以运行在Linksys E2100L无线路由器上。
《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》适用于高年级的本科生或低年级的研究生，也适用于那些想了解操作系统的计算机从业人员。学习本书前，学生需要具备基本的程序设计能力，应当理解基本的数据结构，包括链表、栈和队列，并且应当用C语言写过程序。
第1章 引言和概述 ·
·第1章 引言和概述
第1章
Operating System Design：The Xinu Approach，Linksys Version
引言和概述
第1章 引言和概述
我们的小小系统也有风光的时刻。
——Alfred，Lord Tennyson
1.1 操作系统
每一个智能设备和计算机系统中都隐藏着这么一类软件，它们控制着处理信息、管理资源以及与显示屏、网络、磁盘和打印机等设备通信的工作。总的来说，这些进行控制和协调工作的代码通常叫做执行器、监视器、任务管理器，或者内核，而我们将使用一个更宽泛的术语操作系统。
计算机操作系统是人类创造的最复杂的物体之一：计算机操作系统允许多个计算进程和用户同时共享一个CPU，保护数据免受未经授权的访问，并保持独立输入/输出（I/O）设备的正确运行。操作系统提供的高级服务都是通过向复杂的硬件发送一系列详细的命令实现的。有趣的是，操作系统并不是从外部控制电脑的独立机制——它还包括一些软件，这些软件由执行应用程序的同一处理器执行。事实上，当处理器运行应用程序的时候，处理器是不能执行操作系统的，反之亦然。
保证操作系统总在应用程序运行结束后重新夺回控制权的安排机制使得操作系统的设计变得非常复杂。操作系统最令人印象深刻的方面来自于服务和硬件之间的不同：操作系统在低级的硬件上提供高级服务。随着本书内容的推进，读者就会理解系统软件处理像串行接口这样简单的设备需要做的事情。而其中的哲学原理很简单：操作系统应该提供让编程更加容易的抽象，而不是反映底层硬1件设备的抽象。因此，我们得出结论：
设计操作系统时，应该隐藏底层的硬件细节，并创建一个为应用程序提供高级服务的抽象机器。
操作系统的设计并不是人们所熟知的工艺。最初，由于计算机的缺乏和价格的昂贵，只有少数程序员有从事操作系统相关工作的机会。而现在，由于先进的微电子技术降低了制造成本使得微处理器不再昂贵，操作系统便成为一种商品，与此同时也只有少数程序员从事操作系统方面的工作。有趣的是，由于微处理器变得非常便宜，大多数电子设备都是从可编程处理器构建得到，而不是从离散的逻辑构建得到。因此，设计与实现微机和微控制器的软件系统不再是专家的专利，它已成为一个称职的系统程序员必须能胜任的技术。
幸运的是，随着生产新机器的技术的发展，我们对于操作系统的理解也在不断提高。研究人员已经找出了根本问题，制定了设计原则，定义了基本的组件，并设计了组件一起工作的机制。更重要的是，研究人员还定义了一系列的抽象，如文件和当前进程（这些抽象对于所有的操作系统都是相同的），并且已经找到了实现这些抽象的有效方式。最后，我们知道了如何将操作系统的不同组件组织成一个有意义的系统设计与实现。
同早期系统相比，现代操作系统是简洁的、可移植的。设计良好的系统都遵循着将软件分割成一系列基本组件的基本设计模式。因此，现代系统就变得更容易理解和修改，相比早期的系统其处理开销也比较小。
供应商出售的大型商业操作系统通常包括很多额外的软件组件。例如，一个典型的操作系统软件发行版包括编译器、连接器、装载程序、库函数和一系列的应用程序。为了区分这些额外的软件和一个基本的操作系统，我们有时会用内核指代常驻在内存中并且提供诸如并发进程支持等关键性服务的代码。在本书中，操作系统这个术语指的就是内核，而不包括其他附加的功能。一个最小化内核功能的设计有时称为微内核设计。我们的讨论就将集中在微内核上。
1.2 本书的研究方法
本书讲解了如何构建、设计并且实现操作系统的内核。书中使用了工程学方法，而不是仅仅罗列操作系统的特性和抽象地对其进行描述。这种方法向我们展示了每一个抽象是如何建立的，以及如何将这些抽象组织成一个优雅、高效的设计。
这种工程学方法有两个优势。第一，因为本书的内容涵盖操作系统的每一部分，所以读者会看到整个系统如何融合在一起，而不仅仅是一两个部分之间如何交互。第二，由于读者可以得到书中描述的所有部分的源代码，所以任何部分的实现都没有什么神秘的地方——读者可以获得一份系统的副本来检查、修改、工具化、测量、扩展或者将其移植到其他架构。在本书的最后，读者会看到操作系统的每个部分是如何满足设计需求的，以帮助读者理解可选的设计方案。
本书的关注点是实现，这意味着代码是本书的一个重要组成部分。事实上，代码是讨论的核心，必须通过阅读和学习所罗列的程序来欣赏其中的微妙之处和工程中的细节。例子代码都非常精简，这意味着读者可以集中精力在概念的理解上而不需要费力地阅读许多页的代码。但某些练习建议的改进或修改需要读者深入细节或者找到其他方案。熟练的程序员会找到更多方法来改进和扩展我们的系统。
……
出版者的话
译者序
前言
关于作者
第1章 引言和概述
1.1 操作系统
1.2 本书的研究方法
1.3 分层设计
1.4 Xinu操作系统
1.5 操作系统不是什么
1.6 从外面看操作系统
1.7 其他章节概要
1.8 观点
1.9 总结
练习
第2章 并发执行与操作系统服务
2.1 引言
2.2 多活动的编程模型
2.3 操作系统服务
2.4 并发处理的概念和术语
2.5 串行程序和并发程序的区别
2.6 多进程共享同一段代码
2.7 进程退出与进程终止
2.8 共享内存、竞争条件和同步
2.9 信号量与互斥
2.10 Xinu中的类型命名方法
2.11 使用Kputc和Kprintf进行操作系统的调试
2.12 观点
2.13 总结
练习
第3章 硬件和运行时环境概览
3.1 引言
3.2 E2100L的物理和逻辑结构
3.3 处理器结构和寄存器
3.4 总线操作：获取-存储范式
3.5 直接内存访问
3.6 总线地址空间
3.7 内核段KSEG0和KSEG1的内容
3.8 总线启动的静态配置
3.9 调用约定和运行时栈
3.10 中断和中断处理
3.11 异常处理
3.12 计时器硬件
3.13 串行通信
3.14 轮询与中断驱动I/O
3.15 内存缓存和KSEG
3.16 存储布局
3.17 内存保护
3.18 观点
练习
第4章 链表与队列操作
4.1 引言
4.2 用于进程链表的统一数据结构
4.3 简洁的链表数据结构
4.4 队列数据结构的实现
4.5 内联队列操作函数
4.6 获取链表中进程的基础函数
4.7 FIFO队列操作
4.8 优先级队列的操作
4.9 链表初始化
4.10 观点
4.11 总结
练习
第5章 调度和上下文切换
5.1 引言
5.2 进程表
5.3 进程状态
5.4 就绪和当前状态
5.5 调度策略
5.6 调度的实现
5.7 上下文切换的实现
5.8 内存中保存的状态
5.9 在MIPS处理器上切换上下文
5.10 重新启动进程执行的地址
5.11 并发执行和null进程
5.12 使进程准备执行和调度不变式
5.13 推迟重新调度
5.14 其他进程调度算法
5.15 观点
5.16 总结
练习
第6章 更多进程管理
6.1 引言
6.2 进程挂起和恢复
6.3 自我挂起和信息隐藏
6.4 系统调用的概念
6.5 禁止中断和恢复中断
6.6 系统调用模板
6.7 系统调用返回SYSERR和OK值
6.8 挂起的实现
6.9 挂起当前进程
6.10 suspend函数的返回值
6.11 进程终止和进程退出
6.12 进程创建
6.13 其他进程管理函数
6.14 总结
练习
第7章 协调并发进程
7.1 引言
7.2 进程同步的必要性
7.3 计数信号量的概念
7.4 避免忙等待
7.5 信号量策略和进程选择
7.6 等待状态
7.7 信号量数据结构
7.8 系统调用wait
7.9 系统调用signal
7.10 静态和动态信号量分配
7.11 动态信号量的实现示例
7.12 信号量删除
7.13 信号量重置
7.14 多核处理器之间的协调
7.15 观点
7.16 总结
练习
第8章 消息传递
8.1 引言
8.2 两种类型的消息传递服务
8.3 消息使用资源的限制
8.4 消息传递函数和状态转换
8.5 send的实现
8.6 receive的实现
8.7 非阻塞消息接收的实现
8.8 观点
8.9 总结
练习
第9章 基本内存管理
9.1 引言
9.2 内存的类型
9.3 重量级进程的定义
9.4 小型嵌入式系统的内存管理
9.5 程序段和内存区域
9.6 嵌入式系统中的动态内存分配
9.7 低层内存管理器的设计
9.8 分配策略和内存持久性
9.9 追踪空闲内存
9.10 低层内存管理的实现
9.11 分配堆存储
9.12 分配栈存储
9.13 释放堆和栈存储
9.14 观点
9.15 总结
练习
第10章 高级内存管理和虚拟内存
10.1 引言
10.2 分区空间分配
10.3 缓冲池
10.4 分配缓冲区
10.5 将缓冲区返回给缓冲池
10.6 创建缓冲池
10.7 初始化缓冲池表
10.8 虚拟内存和内存复用
10.9 实地址空间和虚地址空间
10.10 支持按需换页的硬件
10.11 使用页表的地址翻译
10.12 页表项中的元数据
10.13 按需换页以及设计上的问题
10.14 页面替换和全局时钟算法
10.15 观点
10.16 总结
练习
第11章 高层消息传递
11.1 引言
11.2 进程间通信端口
11.3 端口实现
11.4 端口表初始化
11.5 端口创建
11.6 向端口发送消息
11.7 从端口接收消息
11.8 端口的删除和重置
11.9 观点
11.10 总结
练习
第12章 中断处理
12.1 引言
12.2 中断的优点
12.3 中断分配
12.4 中断向量
12.5 中断向量号的分配
12.6 硬件中断
12.7 中断请求的局限性和中断多路复用
12.8 中断软件和分配
12.9 中断分配器底层部分
12.10 中断分配器高层部分
12.11 禁止中断
12.12 函数中中断代码引起的限制
12.13 中断过程中重新调度的必要性
12.14 中断过程中的重新调度
12.15 观点
12.16 总结
练习
第13章 实时时钟管理
13.1 引言
13.2 定时事件
13.3 实时时钟和计时器硬件
13.4 处理实时时钟中断
13.5 延时与抢占
13.6 使用计时器来模拟实时时钟
13.7 抢占的实现
13.8 使用增量链表对延迟进行有效管理
13.9 增量链表的实现
13.10 将进程转入睡眠
13.11 定时消息接收
13.12 唤醒睡眠进程
13.13 时钟中断处理
13.14 时钟初始化
13.15 间隔计时器管理
13.16 观点
13.17 总结
练习
第14章 设备无关的I/O
14.1 引言
14.2 I/O和设备驱动的概念结构
14.3 接口抽象和驱动抽象
14.4 I/O接口的一个示例
14.5 打开-读-写-关闭范式
14.6 绑定I/O操作和设备名
14.7 Xinu中的设备名
14.8 设备转换表概念
14.9 设备和共享驱动的多个副本
14.10 高层I/O操作的实现
14.11 其他高层I/O函数
14.12 打开、关闭和引用计数
14.13 devtab中的空条目和错误条目
14.14 I/O系统的初始化
14.15 观点
14.16 总结
练习
第15章 设备驱动示例
15.1 引言
15.2 tty抽象
15.3 tty设备驱动的组成
15.4 请求队列和缓冲区
15.5 上半部和下半部的同步
15.6 硬件缓冲区和驱动设计
15.7 tty控制块和数据声明
15.8 次设备号
15.9 上半部tty字符输入（ttyGetc）
15.10 通用上半部tty输入（ttyRead）
15.11 上半部tty字符输出（ttyPutc）
15.12 开始输出（ttyKickOut）
15.13 上半部tty多字符输出（ttyWrite）
15.14 下半部tty驱动函数（ttyInterrupt）
15.15 输出中断处理（ttyInter_out）
15.16 tty输入处理(tty Inter-in)
15.17 tty控制块初始化（ttyInit）
15.18 设备驱动控制
15.19 观点
15.20 总结
练习
第16章 DMA设备和驱动（以太网）
16.1 引言
16.2 直接内存访问和缓冲区
16.3 多缓冲区和环
16.4 使用DMA的以太网驱动例子
16.5 设备的硬件定义和常量
16.6 环和内存缓冲区
16.7 以太网控制块的定义
16.8 设备和驱动初始化
16.9 分配输入缓冲区
16.10 从以太网设备中读取数据包
16.11 向以太网设备中写入数据包
16.12 以太网设备的中断处理
16.13 以太网控制函数
16.14 观点
16.15 总结
练习
第17章 最小互联网协议栈
17.1 引言
17.2 所需的功能
17.3 同步对话、超时和进程
17.4 ARP函数
17.5 网络数据包的定义
17.6 网络输入进程
17.7 UDP表的定义
17.8 UDP函数
17.9 互联网控制报文协议
17.10 动态主机配置协议
17.11 观点
17.12 总结
练习
第18章 远程磁盘驱动
18.1 引言
18.2 磁盘抽象
18.3 磁盘操作驱动支持
18.4 块传输和高层I/O函数
18.5 远程磁盘范式
18.6 磁盘操作的语义
18.7 驱动数据结构的定义
18.8 驱动初始化（rdsInit）
18.9 上半部打开函数（rdsOpen）
18.10 远程通信函数（rdscomm）
18.11 上半部写函数（rdsWrite）
18.12 上半部读函数（rdsRead）
18.13 刷新挂起的请求
18.14 上半部控制函数（rdsControl）
18.15 分配磁盘缓冲区（rdsbufalloc）
18.16 上半部关闭函数（rdsClose）
18.17 下半部通信进程（rdsprocess）
18.18 观点
18.19 总结
练习
第19章 文件系统
19.1 文件系统是什么
19.2 文件操作的示例集合
19.3 本地文件系统的设计
19.4 Xinu文件系统的数据结构
19.5 索引管理器的实现
19.6 清空索引块（lfibclear）
19.7 获取索引块（lfibget）
19.8 存储索引块（lfibput）
19.9 从空闲链表中分配索引块（lfiballoc）
19.10 从空闲链表中分配数据块（lfdballoc）
19.11 使用设备无关的I/O函数的文件操作
19.12 文件系统的设备设置和函数名称
19.13 本地文件系统打开函数（lfsOpen）
19.14 关闭文件伪设备（lflClose）
19.15 刷新磁盘中的数据（lfflush）
19.16 文件的批量传输函数（lflWrite，lflRead）
19.17 在文件中查找一个新位置（lflSeek）
19.18 从文件中提取一个字节（lflGetc）
19.19 改变文件中的一个字节（lflPutc）
19.20 载入索引块和数据块（lfsetup）
19.21 主文件系统设备的初始化（lfsInit）
19.22 伪设备的初始化（lflInit）
19.23 文件截断（lftruncate）
19.24 初始文件系统的创建（lfscreate）
19.25 观点
19.26 总结
练习
第20章 远程文件机制
20.1 引言
20.2 远程文件访问
20.3 远程文件语义
20.4 远程文件设计和消息
20.5 远程文件服务器通信
20.6 发送一个基本消息
20.7 网络字节序
20.8 使用设备范式的远程文件系统
20.9 打开远程文件
20.10 检查文件模式
20.11 关闭远程文件
20.12 读远程文件
20.13 写远程文件
20.14 远程文件的定位
20.15 远程文件单字符I/O
20.16 远程文件系统控制函数
20.17 初始化远程文件数据结构
20.18 观点
20.19 总结
练习
第21章 句法名字空间
21.1 引言
21.2 透明与名字空间的抽象
21.3 多种命名方案
21.4 命名系统设计的其他方案
21.5 基于句法的名字空间
21.6 模式和替换
21.7 前缀模式
21.8 名字空间的实现
21.9 名字空间的数据结构和常量
21.10 增加名字空间前缀表的映射
21.11 使用前缀表进行名字映射
21.12 打开命名文件
21.13 名字空间初始化
21.14 对前缀表中的项进行排序
21.15 选择一个逻辑名字空间
21.16 默认层次和空前缀
21.17 额外的对象操作函数
21.18 名字空间方法的优点和限制
21.19 广义模式
21.20 观点
21.21 总结
练习
第22章 系统初始化
22.1 引言
22.2 引导程序：从头开始
22.3 操作系统初始化
22.4 在E2100L上启动一个可选的映像
22.5 Xinu初始化
22.6 系统启动
22.7 从程序转化为进程
22.8 观点
22.9 总结
练习
第23章 异常处理
23.1 引言
23.2 异常、陷阱和恶意中断
23.3 panic的实现
23.4 观点
23.5 总结
练习
第24章 系统配置
24.1 引言
24.2 多重配置的需求
24.3 Xinu系统配置
24.4 Xinu配置文件的内容
24.5 计算次设备号
24.6 配置Xinu系统的步骤
24.7 观点
24.8 总结
练习
第25章 一个用户接口例子：Xinu壳
25.1 引言
25.2 用户接口
25.3 命令和设计原则
25.4 一个简化壳的设计决策
25.5 壳的组织和操作
25.6 词法符号的定义
25.7 命令行语法的定义
25.8 Xinu壳的实现
25.9 符号的存储
25.10 词法分析器代码
25.11 命令解释器的核心
25.12 命令名查询和内部处理
25.13 传给命令的参数
25.14 向外部命令传递参数
25.15 I/O重定向
25.16 示例命令函数（sleep）
25.17 观点
25.18 总结
练习
附录1 操作系统移植
附录2 Xinu设计注解
索引
