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)實驗課程的教材。當(dāng)時的思路是對基于x86架構(gòu)的Linux 0.11內(nèi)核進行深入分析后，從零開始一步一步實現(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，所以進展緩慢。幸運的是，龍芯中科基于二十年的CPU研發(fā)經(jīng)驗和生態(tài)建設(shè)積累，于2020年推出了LoongArch架構(gòu)。我們實驗室于2021年和龍芯中科合作了產(chǎn)學(xué)合作項目—“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，但是它實現(xiàn)了操作系統(tǒng)核心的進程管理、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程間通信機制，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)存的進程間通信機制。
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)存的進程間通信機制的實現(xiàn)也比基于管道操作的進程間通信機制的實現(xiàn)更簡單、高效。
目標讀者
本書詳細地介紹了MaQueOS的實現(xiàn)過程，適合作為高校計算機及相關(guān)專業(yè)操作系統(tǒng)原理課程的補充讀物和實驗課程的教材。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的實現(xiàn)過程為主線，介紹了如何從零開始實現(xiàn)一個操作系統(tǒng)。本書最大的特點是采用循序漸進的方式組織內(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）實例，用于驗證該章實現(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)上詳細地描述MaQueOS的顯示器驅(qū)動程序的實現(xiàn)細節(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)動程序的實現(xiàn)。
第4章：介紹MaQueOS使用的虛擬內(nèi)存管理機制，重點描述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；描述用于進程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（進程描述符）、進程0的創(chuàng)建過程，以及從內(nèi)核態(tài)進入用戶態(tài)運行進程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上運行多個進程時，MaQueOS引入的基于時間片的進程間切換機制。
第6章：討論MaQueOS的進程掛起、喚醒與終止機制，重點描述子進程如何向父進程發(fā)送終止信號、父進程如何接收并處理終止信號以及最終父進程如何釋放子進程占用的系統(tǒng)資源。
第7章：介紹SATA硬盤的接口標準AHCI，并基于AHCI接口標準詳細描述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)的用于和用戶進行交互的shell程序xtsh的實現(xiàn)；著重介紹MaQueOS加載運行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)存的進程間通信機制，以及共享內(nèi)存機制在MaQueOS中的具體實現(xiàn)；說明由于共享內(nèi)存機制的引入，對復(fù)制和釋放頁表操作的修改；詳細介紹MaQueOS支持的軟件定時器的實現(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介紹如何搭建實驗環(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、蔣遠博、呂銳、王天一、葉清揚、聶嘉一同學(xué)。
在本書撰寫過程中，參與資料準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