从零开发操作系统 -- 目录

前言

操作系统是与开发者日常工作息息相关的基础软件，我们编写的所有应用程序都运行于操作系统之上，一旦涉及到对应用性能、资源等的优化，就离不开对操作系统工作原理的理解，同时操作系统也是学习计算机底层技术的敲门砖，掌握其原理会对程序的开发带来潜移默化的帮助。

目前操作系统的书籍或教材大多偏理论为主，站在现代操作系统的基础上介绍各类繁杂的概念，一是缺乏实践难以真正理解概念，动手永远是最好的吸收知识的方式；二是站在结果上看难以还原整个演进历史，不知道为什么要这么做。

当然国内外也有一些好的实践课程，比如 Mit6.S081 的 xv6系统，但这个课程已经提供了一个较为完整的kernel，更多是在其基础上实现功能；又比如来自清华的 rCore，也是非常好的从0搭建操作系统的教程，但还是不够极简。所以不如让我们回到20世纪50年代，从第一行代码开始实现自己的操作系统。

内容概述

本系列实践的原则是 "最小可用"，思维方式是 "走一步看一步"，不做过多的预先设计，确保使用最少的知识和代码来完成每一步的迭代，这样既能保证每一行代码和配置的含义都是清晰的，也能更好还原操作系统的演进历程。

每一章的结构会比较类似，主要包含以下几部分内容：

讨论这一步要实现什么功能，达到什么效果，为什么要这么做
要写哪些代码，为什么这么写 (仅提供个人实现，读者可以根据自己的思路自由编写)
虚拟机上运行代码的效果
真机上运行的效果 (验证我们的操作系统是真实可用的)
衍生阅读：如这一功能在历史上是怎么做的、现代操作系统又是怎么做的

技术选型

指令集架构

指令集架构是计算机处理器能够运行的指令集合，因为OS需要和CPU及其它硬件直接打交道，往往在内核中会存在小部分汇编代码，这部分是和底层平台绑定的，所以需要选择支持哪些CPU指令集架构。

目前常见的指令集架构有：X86，是一种复杂指令集架构，指令集数量繁多(超过千条)，X86是完全闭源的，只有通过购买Intel的芯片才能获得，X86侧重兼容性和性能，覆盖了大部分的PC和服务器市场；ARM是一种精简指令集(RISC)架构，相比X86则较为开放，它将处理器架构作为基础技术被授权的芯片产商集成(如高通、苹果)，特点是节能、低功耗，如今广泛用于智能手机和嵌入式场景； RISC-V同样是精简指令集架构，设计上是三者中最为简洁的 (基础指令只有40多条)，更吸引人的是它的指令架构是完全开源的，未来会更多应用于AIoT场景。

根据上述分析，CPU指令集会首先支持 RISC-V，因为其设计精简易上手、且架构开源，后续系统内核成型后再考虑对其他指令集如X86的支持。

编程语言

在内核的编程语言选择上，C和Rust都是首选，在与底层硬件的控制上都有着不错的支持。相比之下，Rust最大的优势是号称可以解决C编程中常见的内存安全问题，但同时它的学习路线也更为陡峭；而另一方面C语言则更易入门，且可参考的案例更多，比如 Linux 和 xv6等。

本着快速上手和尽量还原OS演进历史的目的，开发语言上选择最接近底层的高级语言 C 语言，把重心更多放在OS的设计和实现上，后续如果想学习Rust，可以考虑用Rust重写。

运行环境

由于首先支持RISC-V指令集，那么操作系统最终编译生成的产物在 X86的开发机上肯定是无法运行的，所以要么需要一台有 RISC-V 芯片的真实计算机，要么有一个能模拟 RISC-V 计算机的模拟器。在模拟器方面QEMU是最佳选择，它的原理是在软件层面去模拟硬件，例如CPU寄存器会被模拟成内存中的一个数组；真实硬件方面，目前已经有不少RISC-V芯片的开发板量产了，比如全志D1，K210等。

模拟器选择 QEMU，可以在 X86 的开发机器上模拟出一台 RISC-V 的计算机
如果觉得跑在模拟器上不过瘾，还可以尝试在各RISC-V开发板上运行，验证我们的操作系统是可以真机运行的
操作系统成型后可考虑支持X86架构，最终目标是能制作成U盘启动盘，在身边任意一台PC机上运行

可见这也是很适合零基础入门的实践，需要掌握的只是常用的linux命令、简单的C语言语法、简单的 RISC-V 汇编指令，仅此而已。而即使没有这些知识也没关系，在后面的实践应用中也能很快掌握。

章节目录

这个从零开发的操作系统命名为 MinOS (Minimum usable operating system)，源码见：minos。

第一章： 第一条指令