前　　言
為什么要寫本書
在做云計(jì)算時(shí)，某天我突然興起，探究了一下QEMU的作者，當(dāng)時(shí)非常好奇是什么人能寫出這么強(qiáng)大的融合計(jì)算機(jī)軟件和硬件的作品。那是我第一次知道計(jì)算機(jī)奇才Fabrice Bellard。除了QEMU， Bellard還開發(fā)了大名鼎鼎的被稱作音視頻領(lǐng)域 瑞士軍刀的FFmpeg，編寫了編譯器TinyCC和3D渲染引擎TinyGL。此外，他僅用10個月的時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了一個軟基站。Bellard的著名作品不勝枚舉。
Bellard的觸類旁通能力令人嘆為觀止，有人說他一個人就可以抵得上一個精英團(tuán)隊(duì)，這種能力與他對計(jì)算機(jī)本質(zhì)的理解是分不開的。在Andy Gocke和Nick Pizzolato寫的關(guān)于Bellard的一篇小傳中提到，Bellard認(rèn)為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)最重要的兩個方面是研究計(jì)算機(jī)是如何工作的以及對計(jì)算本身的研究。
Bellard放在第一位的就是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的基本工作原理。Andy Gocke和Nick Pizzolato認(rèn)為，Bellard自9歲就開始使用類似機(jī)器代碼的語言編程，后來逐漸擴(kuò)展到高級語言，這種學(xué)習(xí)經(jīng)歷使他對計(jì)算機(jī)原理的理解非常深刻。時(shí)至今日，Bellard依然認(rèn)為有抱負(fù)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須通過學(xué)習(xí)匯編語言以及計(jì)算機(jī)硬件來深入理解計(jì)算機(jī)的工作方式。
要理解計(jì)算機(jī)是如何工作的，沒有什么是比寫一個操作系統(tǒng)更好的方式了。通過動手編寫操作系統(tǒng)，我們可以深刻地洞悉計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理。在深刻理解計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理后，在編寫程序時(shí)，我們的思路將不再局限于使用語法表達(dá)邏輯的層面，而是能夠站在計(jì)算機(jī)的角度思考，每寫出一行代碼，都能清楚每一個變量在內(nèi)存中是如何分配和存儲的，以及在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個部件間是如何流轉(zhuǎn)的，從而理解每一個計(jì)算是如何完成的。這不僅對開發(fā)操作系統(tǒng)本身有意義，還可以使我們在全棧開發(fā)中寫出高質(zhì)量的程序。
回顧我自己的經(jīng)歷，我曾經(jīng)認(rèn)為匯編、微機(jī)原理等在編程中根本用不到，所以簡單地應(yīng)付考試了之，沒有深入理解相關(guān)內(nèi)容。之后我花了大量的時(shí)間來學(xué)習(xí)各種編程語言的語法，但還是常被各種紛繁復(fù)雜的語法糖繞得暈頭轉(zhuǎn)向。直到自己動手寫操作系統(tǒng)，因?yàn)樾枰�而逼迫自己學(xué)習(xí)匯編，我才越來越深刻地體會到，如果基礎(chǔ)打得好，根本不需要耗費(fèi)那么多時(shí)間去學(xué)習(xí)那些語法。我們在大好的青春年華中本末倒置地花費(fèi)了太多時(shí)間去學(xué)習(xí)表面上的東西，花了太多的時(shí)間在語言層面兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，而沒有觸碰本質(zhì)。
在這些年的探索過程中，我發(fā)現(xiàn)很多計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的著名人物都是很小就開始學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)，他們都是在學(xué)生時(shí)代參透了計(jì)算機(jī)的本質(zhì)，在年富力強(qiáng)時(shí)開始產(chǎn)出。而我們則更多是在年富力強(qiáng)時(shí)才懂得并且開始學(xué)習(xí)，雖然也很勤奮努力，但事實(shí)上起步晚了若干年。雖然我們現(xiàn)在也開始提倡青少年學(xué)習(xí)編程，但是基本還是在學(xué)習(xí)語言，而不是學(xué)習(xí)深層次的計(jì)算機(jī)工作原理。
于是，在我自己的孩子過了9歲時(shí)，我就開始讓他接觸計(jì)算機(jī)，首先讓他從了解計(jì)算機(jī)的基本原理開始，然后學(xué)習(xí)匯編語言和高級語言，最后帶著他動手寫操作系統(tǒng)。我希望他在學(xué)習(xí)知識的黃金時(shí)期，能正向地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)，悟透計(jì)算機(jī)的本質(zhì)，而不要再重復(fù)我在探索過程中走過的各種彎路，少浪費(fèi)青春年華。
我們想將這些經(jīng)驗(yàn)分享給所有學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的人，于是就有了今天這本書。
本書讀者對象
少年強(qiáng)則國強(qiáng)，青少年是我國計(jì)算機(jī)發(fā)展的未來。本書刻意兼顧了青少年的知識儲備和理解能力，希望能幫助他們深入了解計(jì)算本質(zhì)，而不僅僅是浮在編程表面。
對于正在學(xué)習(xí)或者準(zhǔn)備學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)技術(shù)的大學(xué)生來說，這本書可以作為操作系統(tǒng)課程的實(shí)踐教材。他們可以結(jié)合書中內(nèi)容自己動手實(shí)現(xiàn)一個完整的操作系統(tǒng)，以對抽象的理論知識有一個感性的認(rèn)識。這本書也可以作為匯編語言以及C語言的實(shí)踐教材。
對于軟件研發(fā)相關(guān)的從業(yè)人員來說，這本書可以幫助他們深刻地理解計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的原理。無論是應(yīng)用軟件開發(fā)人員，還是中間件以及操作系統(tǒng)底層開發(fā)人員，要想成為一名合格的程序員，深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)技術(shù)是必不可少的。
最后，這本書寫給所有想了解計(jì)算機(jī)如何工作以及所有和我一樣懷揣操作系統(tǒng)夢的操作系統(tǒng)愛好者，希望這本書能讓他們順利地穿越操作系統(tǒng)迷霧，深刻領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)工作原理。
如何閱讀本書
本書從邏輯上可以分為上、下兩篇。上篇（第1～5章）首先講述了計(jì)算機(jī)的基本原理，從電子計(jì)算機(jī)如何使用電進(jìn)行計(jì)算開始，講述了電是如何抽象為信息的，處理器是怎樣進(jìn)行運(yùn)算的，內(nèi)存是怎樣存儲信息的，處理器和內(nèi)存是如何通過總線通信的，處理器又是如何訪問外設(shè)的，等等。接著講述了這些部件是如何結(jié)合起來運(yùn)行程序的。
然后從機(jī)器語言開始講起，通過使用機(jī)器語言編寫程序，幫助讀者深刻理解指令和程序。接著講述了匯編語言和C語言。第4章結(jié)合匯編語言講述了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。第5章從C編譯器如何將C語法翻譯為匯編語言的角度入手，聚焦于語法后面的本質(zhì)，希望能讓讀者徹底地理解C語言，而不再糾纏在指針等復(fù)雜的語法上。
下篇（第6～14章）從0到1實(shí)現(xiàn)了一個操作系統(tǒng)。我們從引導(dǎo)開始講起，然后闡述了內(nèi)存管理、進(jìn)程、中斷和異常、進(jìn)程調(diào)度、系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程間通信，最后實(shí)現(xiàn)了顯示器上的字符和圖形輸出以及從