操作系統(tǒng)設計：Xinu方法

Operating System Design：The Xinu Approach，Linksys Version

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第1章　引言和概述1
　1.1　操作系統(tǒng)1
　1.2　本書的研究方法1
　1.3　分層設計2
　1.4　Xinu操作系統(tǒng)3
　1.5　操作系統(tǒng)不是什么3
　1.6　從外面看操作系統(tǒng)4
　1.7　其他章節(jié)概要4
　1.8　觀點5
　1.9　總結(jié)5
　練習5
第2章　并發(fā)執(zhí)行與操作系統(tǒng)服務6
　2.1　引言6
　2.2　多活動的編程模型6
　2.3　操作系統(tǒng)服務7
　2.4　并發(fā)處理的概念和術(shù)語7
　2.5　串行程序和并發(fā)程序的區(qū)別8
　2.6　多進程共享同一段代碼9
　2.7　進程退出與進程終止11
　2.8　共享內(nèi)存、競爭條件和同步11
　2.9　信號量與互斥14
　2.10　Xinu中的類型命名方法15
　2.11　使用Kputc和Kprintf進行操作系統(tǒng)的調(diào)試16
　2.12　觀點16
　2.13　總結(jié)16
　練習17
第3章　硬件和運行時環(huán)境概覽18
　3.1　引言18
　3.2　E2100L的物理和邏輯結(jié)構(gòu)18
　3.3　處理器結(jié)構(gòu)和寄存器19
　3.4　總線操作：獲取-存儲范式19
　3.5　直接內(nèi)存訪問19
　3.6　總線地址空間20
　3.7　內(nèi)核段KSEG0和KSEG1的內(nèi)容20
　3.8　總線啟動的靜態(tài)配置21
　3.9　調(diào)用約定和運行時棧21
　3.10　中斷和中斷處理22
　3.11　異常處理23
　3.12　計時器硬件23
　3.13　串行通信24
　3.14　輪詢與中斷驅(qū)動I/O24
　3.15　內(nèi)存緩存和KSEG124
　3.16　存儲布局24
　3.17　內(nèi)存保護25
　3.18　觀點25
　練習25
第4章　鏈表與隊列操作26
　4.1　引言26
　4.2　用于進程鏈表的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)26
　4.3　簡潔的鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)27
　4.4　隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)28
　4.5　內(nèi)聯(lián)隊列操作函數(shù)29
　4.6　獲取鏈表中進程的基礎函數(shù)29
　4.7　FIFO隊列操作30
　4.8　優(yōu)先級隊列的操作32
　4.9　鏈表初始化33
　4.10　觀點34
　4.11　總結(jié)34
　練習35
第5章　調(diào)度和上下文切換36
　5.1　引言36
　5.2　進程表36
　5.3　進程狀態(tài)38
　5.4　就緒和當前狀態(tài)38
　5.5　調(diào)度策略38
　5.6　調(diào)度的實現(xiàn)39
　5.7　上下文切換的實現(xiàn)41
　5.8　內(nèi)存中保存的狀態(tài)41
　5.9　在MIPS處理器上切換上下文41
　5.10　重新啟動進程執(zhí)行的地址43
　5.11　并發(fā)執(zhí)行和null進程44
　5.12　使進程準備執(zhí)行和調(diào)度不變式44
　5.13　推遲重新調(diào)度45
　5.14　其他進程調(diào)度算法47
　5.15　觀點47
　5.16　總結(jié)47
　練習47
第6章　更多進程管理49
　6.1　引言49
　6.2　進程掛起和恢復49
　6.3　自我掛起和信息隱藏49
　6.4　系統(tǒng)調(diào)用的概念50
　6.5　禁止中斷和恢復中斷51
　6.6　系統(tǒng)調(diào)用模板51
　6.7　系統(tǒng)調(diào)用返回SYSERR和OK值51
　6.8　掛起的實現(xiàn)52
　6.9　掛起當前進程53
　6.10　suspend函數(shù)的返回值53
　6.11　進程終止和進程退出54
　6.12　進程創(chuàng)建56
　6.13　其他進程管理函數(shù)59
　6.14　總結(jié)60
　練習61
第7章　協(xié)調(diào)并發(fā)進程62
　7.1　引言62
　7.2　進程同步的必要性62
　7.3　計數(shù)信號量的概念63
　7.4　避免忙等待63
　7.5　信號量策略和進程選擇63
　7.6　等待狀態(tài)64
　7.7　信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)64
　7.8　系統(tǒng)調(diào)用wait65
　7.9　系統(tǒng)調(diào)用signal66
　7.10　靜態(tài)和動態(tài)信號量分配66
　7.11　動態(tài)信號量的實現(xiàn)示例67
　7.12　信號量刪除68
　7.13　信號量重置69
　7.14　多核處理器之間的協(xié)調(diào)69
　7.15　觀點70
　7.16　總結(jié)70
　練習71
第8章　消息傳遞72
　8.1　引言72
　8.2　兩種類型的消息傳遞服務72
　8.3　消息使用資源的限制72
　8.4　消息傳遞函數(shù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換73
　8.5　send的實現(xiàn)73
　8.6　receive的實現(xiàn)74
　8.7　非阻塞消息接收的實現(xiàn)75
　8.8　觀點75
　8.9　總結(jié)75
　練習76
第9章　基本內(nèi)存管理77
　9.1　引言77
　9.2　內(nèi)存的類型77
　9.3　重量級進程的定義77
　9.4　小型嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存管理78
　9.5　程序段和內(nèi)存區(qū)域78
　9.6　嵌入式系統(tǒng)中的動態(tài)內(nèi)存分配79
　9.7　低層內(nèi)存管理器的設計79
　9.8　分配策略和內(nèi)存持久性80
　9.9　追蹤空閑內(nèi)存80
　9.10　低層內(nèi)存管理的實現(xiàn)80
　9.11　分配堆存儲82
　9.12　分配棧存儲83
　9.13　釋放堆和棧存儲84
　9.14　觀點86
　9.15　總結(jié)87
　練習87
第10章　高級內(nèi)存管理和虛擬內(nèi)存88
　10.1　引言88
　10.2　分區(qū)空間分配88
　10.3　緩沖池88
　10.4　分配緩沖區(qū)89
　10.5　將緩沖區(qū)返回給緩沖池90
　10.6　創(chuàng)建緩沖池91
　10.7　初始化緩沖池表93
　10.8　虛擬內(nèi)存和內(nèi)存復用93
　10.9　實地址空間和虛地址空間93
　10.10　支持按需換頁的硬件94
　10.11　使用頁表的地址翻譯95
　10.12　頁表項中的元數(shù)據(jù)95
　10.13　按需換頁以及設計上的問題95
　10.14　頁面替換和全局時鐘算法96
　10.15　觀點97
　10.16　總結(jié)97
　練習97
第11章　高層消息傳遞98
　11.1　引言98
　11.2　進程間通信端口98
　11.3　端口實現(xiàn)98
　11.4　端口表初始化99
　11.5　端口創(chuàng)建100
　11.6　向端口發(fā)送消息101
　11.7　從端口接收消息102
　11.8　端口的刪除和重置103
　11.9　觀點106
　11.10　總結(jié)106
　練習106
第12章　中斷處理107
　12.1　引言107
　12.2　中斷的優(yōu)點107
　12.3　中斷分配107
　12.4　中斷向量107
　12.5　中斷向量號的分配108
　12.6　硬件中斷108
　12.7　中斷請求的局限性和中斷多路復用109
　12.8　中斷軟件和分配109
　12.9　中斷分配器底層部分110
　12.10　中斷分配器高層部分112
　12.11　禁止中斷114
　12.12　函數(shù)中中斷代碼引起的限制115
　12.13　中斷過程中重新調(diào)度的必要性115
　12.14　中斷過程中的重新調(diào)度115
　12.15　觀點116
　12.16　總結(jié)116
　練習117
第13章　實時時鐘管理118
　13.1　引言118
　13.2　定時事件118
　13.3　實時時鐘和計時器硬件118
　13.4　處理實時時鐘中斷119
　13.5　延時與搶占119
　13.6　使用計時器來模擬實時時鐘120
　13.7　搶占的實現(xiàn)120
　13.8　使用增量鏈表對延遲進行有效管理120
　13.9　增量鏈表的實現(xiàn)121
　13.10　將進程轉(zhuǎn)入睡眠122
　13.11　定時消息接收124
　13.12　喚醒睡眠進程127
　13.13　時鐘中斷處理127
　13.14　時鐘初始化128
　13.15　間隔計時器管理129
　13.16　觀點130
　13.17　總結(jié)130
　練習130
第14章　設備無關(guān)的I/O132
　14.1　引言132
　14.2　I/O和設備驅(qū)動的概念結(jié)構(gòu)132
　14.3　接口抽象和驅(qū)動抽象133
　14.4　I/O接口的一個示例134
　14.5　打開-讀-寫-關(guān)閉范式134
　14.6　綁定I/O操作和設備名134
　14.7　Xinu中的設備名135
　14.8　設備轉(zhuǎn)換表概念135
　14.9　設備和共享驅(qū)動的多個副本136
　14.10　高層I/O操作的實現(xiàn)138
　14.11　其他高層I/O函數(shù)138
　14.12　打開、關(guān)閉和引用計數(shù)141
　14.13　devtab中的空條目和錯誤條目143
　14.14　I/O系統(tǒng)的初始化143
　14.15　觀點146
　14.16　總結(jié)147
　練習147
第15章　設備驅(qū)動示例148
　15.1　引言148
　15.2　tty抽象148
　15.3　tty設備驅(qū)動的組成149
　15.4　請求隊列和緩沖區(qū)149
　15.5　上半部和下半部的同步150
　15.6　硬件緩沖區(qū)和驅(qū)動設計151
　15.7　tty控制塊和數(shù)據(jù)聲明151
　15.8　次設備號153
　15.9　上半部tty字符輸入（ttyGetc）153
　15.10　通用上半部tty輸入（ttyRead）154
　15.11　上半部tty字符輸出（ttyPutc）155
　15.12　開始輸出（ttyKickOut）156
　15.13　上半部tty多字符輸出（ttyWrite）157
　15.14　下半部tty驅(qū)動函數(shù)（ttyInterrupt）157
　15.15　輸出中斷處理（ttyInter_out）159
　15.16　tty輸入處理(tty Inter-in)161
　15.17　tty控制塊初始化（ttyInit）166
　15.18　設備驅(qū)動控制168
　15.19　觀點169
　15.20　總結(jié)169
　練習169
第16章　DMA設備和驅(qū)動（以太網(wǎng)）171
　16.1　引言171
　16.2　直接內(nèi)存訪問和緩沖區(qū)171
　16.3　多緩沖區(qū)和環(huán)171
　16.4　使用DMA的以太網(wǎng)驅(qū)動例子172
　16.5　設備的硬件定義和常量172
　16.6　環(huán)和內(nèi)存緩沖區(qū)174
　16.7　以太網(wǎng)控制塊的定義175
　16.8　設備和驅(qū)動初始化177
　16.9　分配輸入緩沖區(qū)181
　16.10　從以太網(wǎng)設備中讀取數(shù)據(jù)包182
　16.11　向以太網(wǎng)設備中寫入數(shù)據(jù)包183
　16.12　以太網(wǎng)設備的中斷處理185
　16.13　以太網(wǎng)控制函數(shù)187
　16.14　觀點189
　16.15　總結(jié)189
　練習189
第17章　最小互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧190
　17.1　引言190
　17.2　所需的功能190
　17.3　同步對話、超時和進程191
　17.4　ARP函數(shù)192
　17.5　網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的定義198
　17.6　網(wǎng)絡輸入進程199
　17.7　UDP表的定義202
　17.8　UDP函數(shù)203
　17.9　互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議210
　17.10　動態(tài)主機配置協(xié)議211
　17.11　觀點214
　17.12　總結(jié)214
　練習214
第18章　遠程磁盤驅(qū)動215
　18.1　引言215
　18.2　磁盤抽象215
　18.3　磁盤操作驅(qū)動支持215
　18.4　塊傳輸和高層I/O函數(shù)215
　18.5　遠程磁盤范式216
　18.6　磁盤操作的語義216
　18.7　驅(qū)動數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義217
　18.8　驅(qū)動初始化（rdsInit）221
　18.9　上半部打開函數(shù)（rdsOpen）223
　18.10　遠程通信函數(shù)（rdscomm）224
　18.11　上半部寫函數(shù)（rdsWrite）226
　18.12　上半部讀函數(shù)（rdsRead）228
　18.13　刷新掛起的請求231
　18.14　上半部控制函數(shù)（rdsControl）231
　18.15　分配磁盤緩沖區(qū)（rdsbufalloc）233
　18.16　上半部關(guān)閉函數(shù)（rdsClose）234
　18.17　下半部通信進程（rdsprocess）235
　18.18　觀點239
　18.19　總結(jié)239
　練習240
第19章　文件系統(tǒng)241
　19.1　文件系統(tǒng)是什么241
　19.2　文件操作的示例集合241
　19.3　本地文件系統(tǒng)的設計242
　19.4　Xinu文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)242
　19.5　索引管理器的實現(xiàn)243
　19.6　清空索引塊（lfibclear）246
　19.7　獲取索引塊（lfibget）247
　19.8　存儲索引塊（lfibput）247
　19.9　從空閑鏈表中分配索引塊（lfiballoc）248
　19.10　從空閑鏈表中分配數(shù)據(jù)塊（lfdballoc）249
　19.11　使用設備無關(guān)的I/O函數(shù)的文件操作250
　19.12　文件系統(tǒng)的設備設置和函數(shù)名稱251
　19.13　本地文件系統(tǒng)打開函數(shù)（lfsOpen）251
　19.14　關(guān)閉文件偽設備（lflClose）256
　19.15　刷新磁盤中的數(shù)據(jù)（lfflush）256
　19.16　文件的批量傳輸函數(shù)（lflWrite,lflRead）257
　19.17　在文件中查找一個新位置（lflSeek）258
　19.18　從文件中提取一個字節(jié)（lflGetc）259
　19.19　改變文件中的一個字節(jié)（lflPutc）260
　19.20　載入索引塊和數(shù)據(jù)塊（lfsetup）261
　19.21　主文件系統(tǒng)設備的初始化（lfsInit）264
　19.22　偽設備的初始化（lflInit）264
　19.23　文件截斷（lftruncate）265
　19.24　初始文件系統(tǒng)的創(chuàng)建（lfscreate）267
　19.25　觀點269
　19.26　總結(jié)269
　練習269
第20章　遠程文件機制270
　20.1　引言270
　20.2　遠程文件訪問270
　20.3　遠程文件語義270
　20.4　遠程文件設計和消息271
　20.5　遠程文件服務器通信276
　20.6　發(fā)送一個基本消息278
　20.7　網(wǎng)絡字節(jié)序279
　20.8　使用設備范式的遠程文件系統(tǒng)279
　20.9　打開遠程文件280
　20.10　檢查文件模式282
　20.11　關(guān)閉遠程文件283
　20.12　讀遠程文件284
　20.13　寫遠程文件286
　20.14　遠程文件的定位288
　20.15　遠程文件單字符I/O288
　20.16　遠程文件系統(tǒng)控制函數(shù)289
　20.17　初始化遠程文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)292
　20.18　觀點293
　20.19　總結(jié)293
　練習294
第21章　句法名字空間295
　21.1　引言295
　21.2　透明與名字空間的抽象295
　21.3　多種命名方案295
　21.4　命名系統(tǒng)設計的其他方案296
　21.5　基于句法的名字空間296
　21.6　模式和替換297
　21.7　前綴模式297
　21.8　名字空間的實現(xiàn)297
　21.9　名字空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量297
　21.10　增加名字空間前綴表的映射298
　21.11　使用前綴表進行名字映射299
　21.12　打開命名文件302
　21.13　名字空間初始化303
　21.14　對前綴表中的項進行排序305
　21.15　選擇一個邏輯名字空間305
　21.16　默認層次和空前綴305
　21.17　額外的對象操作函數(shù)306
　21.18　名字空間方法的優(yōu)點和限制306
　21.19　廣義模式307
　21.20　觀點307
　21.21　總結(jié)308
　練習308
第22章　系統(tǒng)初始化309
　22.1　引言309
　22.2　引導程序：從頭開始309
　22.3　操作系統(tǒng)初始化309
　22.4　在E2100L上啟動一個可選的映像310
　22.5　Xinu初始化310
　22.6　系統(tǒng)啟動312
　22.7　從程序轉(zhuǎn)化為進程316
　22.8　觀點316
　22.9　總結(jié)316
　練習316
第23章　異常處理317
　23.1　引言317
　23.2　異常、陷阱和惡意中斷317
　23.3　panic的實現(xiàn)317
　23.4　觀點318
　23.5　總結(jié)318
　練習318
第24章　系統(tǒng)配置319
　24.1　引言319
　24.2　多重配置的需求319
　24.3　Xinu系統(tǒng)配置319
　24.4　Xinu配置文件的內(nèi)容320
　24.5　計算次設備號321
　24.6　配置Xinu系統(tǒng)的步驟322
　24.7　觀點322
　24.8　總結(jié)322
　練習322
第25章　一個用戶接口例子：Xinu殼323
　25.1　引言323
　25.2　用戶接口323
　25.3　命令和設計原則323
　25.4　一個簡化殼的設計決策324
　25.5　殼的組織和操作324
　25.6　詞法符號的定義324
　25.7　命令行語法的定義325
　25.8　Xinu殼的實現(xiàn)325
　25.9　符號的存儲327
　25.10　詞法分析器代碼327
　25.11　命令解釋器的核心330
　25.12　命令名查詢和內(nèi)部處理336
　25.13　傳給命令的參數(shù)336
　25.14　向外部命令傳遞參數(shù)337
　25.15　I/O重定向339
　25.16　示例命令函數(shù)（sleep）340
　25.17　觀點341
　25.18　總結(jié)341
　練習342
附錄1　操作系統(tǒng)移植343
附錄2　Xinu設計注解349
索引352