内田公太，日本东京资深软件工程师。他毕业于东京工业大学，取得工程学士和硕士学位。就职于cybozu公司期间，专注于将Walb部署到生产环境。在学术领域，他多次出席软件工程基础会议，分享过大量研究成果，并在 2015 年出版了关于英特尔X86 架构的书籍及相关模拟器。此外，他还积极举办面向业余操作系统开发者的研讨会，投身于推动技术交流。
马起园（Clerk Ma）是知乎认证的计算机科学领域优秀答主，同时也是一位字体设计师。他专注于TeX 技术、字体设计等领域，曾参与 LuaTeX 、 XeTeX 等开源项目，主导开发了 TeXLive for Android 系统，并推动其在 TUG 会议上的展示；对Linux系统及开源软件有深厚研究，曾尝试多种编程语言（如Pascal、C++、Python等），最终选择C语言作为主要开发工具；主导设计了Fandol系列字体 ，并推动其在TeX系统中的应用。罗浩源，程序员，久居日本，从事iOS和Android开发，曾精研电子书制作。苏杰，助理研究员，认知神经科学专业，毕业于北京师范大学心理学部，长期从事人脑智能研究与类脑人工智能研究。

Ø 适合有基础编程经验者，30 章手把手教你从零构建操作系统 MikanOS，在实践中掌握计算机底层原理。

Ø 以 “做中学” 为核心，从 Hello World 到多任务处理，覆盖操作系统关键技术，让黑箱知识变清晰。

Ø 无需精通 C++，边开发边学习，配套具体案例与工具说明，助你脚踏实地自制属于自己的操作系统。

Ø 从引导加载器到应用间通信，全面解析操作系统构建全流程，为编程爱好者打开系统开发之门。

译 者 序

想要了解一项技术，除了阅读相关的技术文档之外，最好的办法就是造“轮子”。接近 于圆形的轮子当然能跑起来，而接近于方形的轮子也有可能跑起来，只是费力一些。造“轮 子”的目的不是获得轮子这个结果，而是掌握制造的过程。在这个过程中， 一定会碰到问 题。无论是用了完美的还是略显笨拙的方法来解决这些问题，都将转化为制造者的知识。

本书就是这种“做中学”思维的成果。从专业的角度来看， MikanOS这个操作系统有些 过于简略。但是，任何参天大树都是从一颗种子成长起来的。一颗种子能长成多高、多大的 树，与信心和付出的时间相关。我们翻译这本书，就是为了给读者引一引路，并增加一些可 参考的材料。

由于译者水平有限，如果读者发现了什么错漏，那不必怀疑：正确往往归于读者，错误 往往归于译者。

引 言

本书的主题是自制操作系统。从零开始，用30章做出一个简单的操作系统：MikanOS 。 在30章结束之后，你将看到下图所示的效果。图中的一切都是依照本书的内容实现的。当 然，这些功能都是独立运行的，没有使用其他操作系统。

30天后的MikanOS

图中显示了一些在MikanOS上运行的应用。其中，左上显示的是 MikanOS的用户手册（日 文）；左下是一个旋转的彩色立方体；中间是一个黑色背景的终端；右下是富士山的 JPEG照 片。此外，还有几个小型应用正在运行。例如，右上角有一个窗口，显示操作系统启动后的 运行时间（单位为0.01s），其上还有一个鼠标指针。总的来说，看起来是不是很真实？

V

操作系统（Operating System）是计算机中的基础软件，比如常见的Windows 、macOS和 Linux。操作系统在计算机的使用过程中发挥着重要作用——它通过提供网络浏览器和文字处 理器等常用功能来支持应用开发，通过分配计算资源来实现多个应用的同时使用，并且提供 了统一的操作方法。操作系统使计算机更加强大，更易于使用。

本书的目标是制作一个无须借助其他操作系统即可运行的操作系统，而不是在既有的操 作系统（如 Windows）上运行的应用。不借助其他操作系统的功能意味着，比如在操作鼠标 时，自己编写鼠标指针（箭头）在屏幕上移动的过程；使用键盘输入命令并按下回车键时， 自己编写启动命令的进程。此外，还必须创建一个函数来探知并管理计算机的内存。几乎所 有的处理过程都是自己完成的，这就是自制操作系统。是不是很激动人心？

乍一看，自制操作系统似乎是在浪费时间。虽然现在已经有了很多功能强大的操作系 统，自制操作系统是在模仿它们，但是自制操作系统能给你带来宝贵的经验。探索计算机系 统的工作原理会激发你的求知欲。从实用的角度来看，了解硬件和操作系统的工作原理将拓 宽软件工程师的工作范围：研究操作系统如何工作，并探索如何创建高效运行的应用。或 者，在调查系统故障原因时，可以利用调试操作系统的经验来深入研究。当需要阅读 Linux 内核的代码时，如果有制作操作系统的经验，那么读起来会容易得多。

现在我们用专业术语介绍一下 MikanOS的功能：MikanOS是一个通过UEFI BIOS启动的 操作系统，以 64位模式运行，具有抢占式多任务、窗口系统、分页内存管理和系统调用等 功能。如果你不知道这些专业术语的含义，也不要紧，本书的任务就是在实践中解释它们的 含义。

目标读者

如今，个人可以创建复杂的网络服务和支持VR的游戏。如果你购买了一台面向物联网的 小型计算机，就可以立即开始从事十年前无法想象的高级电子工作了。以如何构建编译器和 CPU为主题的书也已出版。

虽然制作各种东西变得更加容易，但制作操作系统却变得更加困难。这是随着计算机的 日益复杂而演变出的结果。本书的目的就是揭示隐藏在黑暗中的操作系统原理，确保自制的 乐趣依然存在。为什么不与作者一起手工制作操作系统呢？

本书是2006年出版的《30天自制操作系统》的衍生成果。这是一本非常好的书，2021年 仍在印刷。但自该书出版以来，个人计算机已经发生了很大的变化，有些信息（尤其是与硬 件相关的信息）已经过时。于是，我决定写一本新书1 。因此，本书的内容是在编写此书时市 面上销售的计算机上进行测试的（但不保证在所有型号的计算机上都能正常工作）。

本书的目标读者是写过简单程序的人。如果你有几百行代码的编写经验，那么应该可以 毫无顾虑地阅读本书。但如果你从未编写过程序，那将会很吃力。

本书中的MikanOS是用C++编写的。对于那些不熟悉C++的读者，书中会提供一些解 释。要了解更多，可以参考本书中的说明，也可以参考相关的入门书籍和网站信息。你可能 决心在开发操作系统之前完全学会C++，但作者认为，在开发的过程中根据需要学习 C++ ， 会更容易保持积极性。脚踏实地，勇往直前吧！

第 0章 个人可以制作操作系统吗 1
0．1 如何制作操作系统 2
0．2 到底什么是操作系统 3
0．3 自制操作系统的步骤 6
0．4 享受自制操作系统的乐趣 7
0．5 自制操作系统的全貌 8
第1章 计算机工作原理和HelloWorld 15
1．1 Hello World 16
1．2 如何查找U盘的设备名称 20
1．3 如何使用WSL 20
1．4 使用模拟器 22
1．5 最终做了些什么 23
1．6 还是让我们动手吧 27
1．7 使用UEFI BIOS启动 28
1．8 制作操作系统的工具 29
1．9 C语言版的Hello World程序 30
第 2章 EDK II和内存映射 33
2．1 EDK II简介 34
2．2 EDK II的Hello World程序（osbook_day02a） 35
2．3 主存储器 38
2．4 内存映射 39
2．5 获取内存映射（osbook_day02b） 41
2．6 将内存映射保存到文件中 43
2．7 检查内存映射 46
2．8 指针简介（1）：地址和指针 47
2．9 指针和箭头运算符 48
第 3章 屏幕显示实践和引导加载器 53
3．1 QEMU监视器 54
3．2 寄存器 56
3．3 第一个内核（osbook_day03a） 58
3．4 从引导加载器绘制像素（osbook_day03b） 66
3．5 从内核绘制像素（osbook_day03c） 68
3．6 错误处理（osbook_day03d） 70
3．7 指针简介（2）：指针与汇编语言 73
第 4章 像素绘图和make入门 77
4．1 make简介（osbook_day04a） 78
4．2 自由绘制像素（osbook_day04b） 81
4．3 利用C++语言特性重写程序（osbook_day04c） 86
4．4 vtable 91
4．5 改进加载器（osbook_day04d） 93
第 5章 文本显示和控制台类 99
5．1 尝试写入字符（osbook_day05a） 100
5．2 拆分编译（osbook_day05b） 103
5．3 增加字体（osbook_day05c） 106
5．4 字符串绘制和sprintf()（osbook_day05d） 108
5．5 控制台类（osbook_day05e） 110
5．6 printk()（osbook_day05f） 114
第 6章 鼠标输入和PCI 117
6．1 鼠标光标（osbook_day06a） 118
6．2 USB Host驱动程序 121
6．3 搜索PCI设备（osbook_day06b） 123
6．4 带轮询的鼠标输入（osbook_day06c） 132
第 7章 中断和FIFO 141
7．1 中断（osbook_day07a） 142
7．2 中断处理程序 143
7．3 中断向量 144
7．4 设置中断描述符 147
7．5 MSI机制 149
7．6 中断总结 150
7．7 加速中断处理程序（osbook_day07b） 151
7．8 FIFO和FILO 152
7．9 实现队列 153
7．10 使用队列加速中断 157
第 8章 内存管理 161
8．1 内存管理概述 162
8．2 UEFI内存映射（osbook_day08a） 162
8．3 移动数据结构（osbook_day08b） 165
8．4 移动栈区域 166
8．5 设置分段 167
8．6 设置分页 174
8．7 内存管理挑战（osbook_day08c） 177
第 9章 叠加过程 185
9．1 叠加过程概述（osbook_day09a） 186
9．2 new运算符 186
9．3 叠加过程的原理 189
9．4 叠加过程的时间测量（osbook_day09b） 205
9．5 加速叠加过程（osbook_day09c） 209
9．6 测量滚动过程时间（osbook_day09d） 219
9．7 更快的滚动过程（osbook_day09e） 221
第 10 章 窗口 227
10．1 再论鼠标（osbook_day10a） 228
10．2 第一个窗口（osbook_day10b） 229
10．3 快速计数器（osbook_day10c） 232
10．4 消除闪烁（osbook_day10d） 234
10．5 后置缓冲区（osbook_day10e） 240
10．6 拖动窗口（osbook_day10f） 241
10．7 仅拖动窗口（osbook_day10g） 246
第 11 章 定时器和ACPI 249
11．1 整理源码（osbook_day11a） 250
11．2 定时器中断（osbook_day11b） 251
11．3 精确定时（osbook_day11c） 253
11．4 多个定时器和超时通知（osbook_day11d） 257
11．5 ACPI PM定时器和RSDP（osbook_day11e） 261
第 12 章 键盘输入 269
12．1 查找FADT（osbook_day12a） 270
12．2 使用ACPI PM定时器（osbook_day12b） 273
12．3 USB键盘驱动程序（osbook_day12c） 275
12．4 修改键（osbook_day12d） 279
12．5 文本框（osbook_day12e） 283
12．6 光标（osbook_day12f） 286
第 13 章 多任务处理（1） 291
13．1 多任务和上下文 292
13．2 处理上下文切换（osbook_day13a） 293
13．3 自动上下文切换（osbook_day13b） 302
13．4 验证多任务处理（osbook_day13c） 306
13．5 更多任务（osbook_day13d） 307
第 14 章 多任务处理（2） 313
14．1 休眠（osbook_day14a） 314
14．2 事件发生时唤醒（osbook_day14b） 319
14．3 性能测量 324
14．4 确定任务的优先级（osbook_day14c） 324
14．5 休眠任务（osbook_day14d） 332
第 15 章 终端 335
15．1 在主线程中绘制窗口（osbook_day15a） 336
15．2 活动窗口（osbook_day15b） 340
15．3 终端窗口（osbook_day15c） 348
15．4 加速绘图（osbook_day15d） 353
第 16 章 命令 359
16．1 终端中的按键操作（osbook_day16a） 360
16．2 echo命令（osbook_day16b） 364
16．3 clear命令（osbook_day16c） 368
16．4 lspci命令（osbook_day16d） 369
16．5 命令历史记录（osbook_day16e） 370
16．6 省电（osbook_day16f） 373
第 17 章 文件系统 375
17．1 文件和文件系统 376
17．2 BIOS参数块 380
17．3 目录条目 381
17．4 读出卷（osbook_day17a） 383
17．5 ls命令（osbook_day17b） 390
第 18 章 应用 395
18．1 文件分配表（osbook_day18a） 396
18．2 第一个应用（osbook_day18b） 402
18．3 C++中的计算器（osbook_day18c） 408
18．4 标准库（osbook_day18d） 414
第 19 章 分页 417
19．1 可执行文件和内存地址 418
19．2 地址转换 419
19．3 加载并运行应用（osbook_day19a） 422
19．4 虚拟地址和四级分页 422
19．5 在后半部分运行应用 425
19．6 加载应用 426
19．7 设置分层分页结构 428
19．8 整理分层分页结构 432
第 20 章 系统调用 437
20．1 应用如何使用操作系统函数（osbook_day20a） 438
20．2 保护操作系统(1)（osbook_day20b） 440
20．3 设置TSS（osbook_day20c） 447
20．4 帮助查找错误（osbook_day20d） 455
20．5 系统调用（osbook_day20e） 459
20．6 注册系统调用的过程 460
20．7 系统调用本体 462
第 21 章 窗口应用 467
21．1 设置IST（osbook_day21a） 468
21．2 字符串显示系统调用（osbook_day21b） 470
21．3 创建系统调用 472
21．4 创建write() 476
21．5 退出系统调用（osbook_day21c） 478
21．6 返回栈指针 482
21．7 代码整理（osbook_day21d） 484
21．8 打开一个窗口（osbook_day21e） 486
21．9 在窗口中写入文本（osbook_day21f） 487
第 22 章 图形和事件（1） 491
22．1 使用exit()（osbook_day22a） 492
22．2 绘制两个点（osbook_day22b） 494
22．3 获取计时器值（osbook_day22c） 498
22．4 窗口绘制的优化（osbook_day22d） 500
22．5 绘制直线（osbook_day22e） 502
22．6 关闭窗口（osbook_day22f） 506
22．7 等待按键输入（osbook_day22g） 508
第 23 章 图形和事件（2） 517
23．1 鼠标输入（osbook_day23a） 518
23．2 绘图软件（osbook_day23b） 523
23．3 计时器命令（osbook_day23c） 527
23．4 动画（osbook_day23d） 532
23．5 打方块游戏（osbook_day23e） 534
第 24 章 多终端 539
24．1 增加终端数量（osbook_day24a） 540
24．2 光标自动闪烁（osbook_day24b） 541
24．3 同时启动多个应用（osbook_day24c） 544
24．4 修复窗口重叠的错误（osbook_day24d） 549
24．5 不需要终端即可启动应用（osbook_day24e） 550
24．6 冻结操作系统的应用（osbook_day24f） 554
24．7 保护操作系统(2)（osbook_day24g） 556
第 25 章 使用应用读取文件 559
25．1 目录支持（osbook_day25a） 560
25．2 读取文件（osbook_day25b） 566
25．3 正则表达式搜索（osbook_day25c） 575
第 26 章 使用应用写入文件 577
26．1 标准输入（osbook_day26a） 578
26．2 文件描述符的抽象化 578
26．3 接收键盘输入 580
26．4 EOF和EOT（osbook_day26b） 583
26．5 写入文件(1)（osbook_day26c） 584
26．6 写入文件(2)（osbook_day26d） 591
第 27 章 应用的内存管理 597
27．1 按需分页（osbook_day27a） 598
27．2 内存映射文件（osbook_day27b） 604
27．3 测量内存使用情况（osbook_day27c） 612
27．4 写入时复制（osbook_day27d） 614
第 28 章 日文显示和重定向 625
28．1 日文和字符编码（osbook_day28a） 626
28．2 日文字体（osbook_day28b） 633
28．3 重定向（osbook_day28c） 638
第 29 章 应用间通信 645
29．1 退出码（osbook_day29a） 646
29．2 管道（osbook_day29b） 649
29．3 解析命令行并启动任务 651
29．4 管道处理的主体PipeDescriptor 652
29．5 启动和关闭终端 655
29．6 终止任务 657
29．7 排序命令（osbook_day29c） 661
29．8 终端错误修复（osbook_day29d） 663
29．9 共享内存 665
第 30 章 额外应用 667
30．1 应用路径程序（osbook_day30a） 668
30．2 more命令（osbook_day30b） 669
30．3 使cat与输入相对应（osbook_day30c） 672
30．4 关闭按钮（osbook_day30d） 674
30．5 文本查看器（osbook_day30e） 679
30．6 图像查看器（osbook_day30f） 682
第 31 章 前方的路 687
附录A 配置开发环境 690
附录B 获取MikanOS 695
附录C EDKII文件说明 698
附录D C++中的模板 701
附录E iPXE 702
附录F ASCII码表 705
致谢 709