从零开始写 OS 内核 （序篇）

这是一个很早就想要做的系列，从零开始写一个小的操作系统，算是致敬以前学校里做的 OS 项目，也是希望能帮助到对这一块感兴趣的同学。

操作系统是计算机专业的核心学科，但我想即使是很多大学的 CS 本科操作系统专业课，也未必会设置这样规模和难度的项目。我是在 CMU 读研时修了它们的本科 OS 课程 15-410，这是课程的最大一个项目作业。对于很多计算机专业的同学，以及非科班转计算机的同学，尝试去做，哪怕是读懂这样一个项目，我想都是大有益处的。

项目预期

网上也有很多类似的很好的系列教程，我也希望我的这个系列能够稍微带来些不一样的地方，你可以大概地有个心理预期：

• 这是一个偏实践+原理阐释的系列文章，我会尽可能多地用图片，而不是文字；
• 这不是一个手把手教学的系列，有些动手的地方需要你自己实践解决，当然我会给出我的 Git 项目地址供你参考；
• 我不会过多地贴代码逐行解释，也不会过多地解释一些课本或者手册上的专业知识（我认为你应该知道，或者有能力自学/查）；

知识准备

为了读懂这个系列，你需要有足够的专业知识准备，总的来说就是大学操作系统专业课的所有理论知识，不要求精通，但最起码能了解，需要用到的时候知道怎么去查。这里推荐《深入理解计算机系统》这本书，如果你的水平已经覆盖了这本书，那么可以继续了。

再具体一些，希望你的理论和实践能力可以覆盖以下这些：

• 扎实的 C 语言能力；
• 还够用的 x86 汇编能力（可以在项目中提高）；
• 熟练使用 Linux 系统，以及 Linux 下的系统编程经验；
• gcc，Makefile 等工具的使用；
• 对编译，链接，执行代码的原理有足够的认识；
• 硬件以及 OS 对内存的管理原理，尤其是虚拟内存；
• 程序在操作系统中的加载，执行过程，内存的使用和分布；
• 中断的概念和处理；
• 进程，线程的概念原理；
• 多线程编程，同步与锁的概念；

是不是看上去有点多......这的确是对你的基本要求，但还是那句话，不要求熟练精通，只需要能”了解“，你可以只有一个模糊的理论概念，薄弱的实践基础，可以在项目中提高这些能力，这其实也是这个项目的终极目的所在。

推荐书目和教程

仅仅看我这个系列可能未必足够，也不一定对每个人适合，所以我推荐一些我看过的书和教程：

JamesM's kernel development tutorials

这个系列是非常推荐的，作者的重点把握明确，组织结构和代码非常清晰。但这个系列项目规模偏小，没有 boot loader 和内核成形后的线程，进程以及系统调用方面的内容，整体比较偏 Demo 和教学性质，很适合初学。

操作系统真相还原

这也是比较推荐的一本书，与上面的系列相反，这本书从头到尾完整地实现了一个功能比较完善的内核，规模比较大，而且作者的讲解很细致，不厌其烦，甚至我都觉得有些啰嗦，比较适合在实际项目开发中作为参考和理论手册查询，而不适合从头到尾通读。

我的这个系列项目其实参考并综合了以上两者，取了折中，把规模和难度控制在了我认为比较合理的程度。

项目目录

在开始系列之前，我们首先列一下项目的目录清单，后面把这些坑一个个填上。

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 创建第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进程的实现
• 进入用户态
• 一个简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 系统调用的实现
• 键盘驱动
• 运行 shell

内容还是比较多的，我们一步一步来，准备出发吧。