计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法

《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》对操作系统的内存管理、进程管理、进程协调和同步、进程间通信、实时时钟管理、设备无关的I/O、设备驱动、网络协议、文件系统等进行了详细的介绍，并利用分层的设计范式，以一种有序、易于理解的方式来阐述这些内容。《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》以Xinu操作系统为系统设计的样板和模式，从一个裸机开始，一步一步地设计和实现一个小型但优雅的操作系统。本书的样本代码可以运行在Linksys E2100L无线路由器上。
《计算机科学丛书：操作系统设计：Xinu方法》适用于高年级的本科生或低年级的研究生，也适用于那些想了解操作系统的计算机从业人员。学习本书前，学生需要具备基本的程序设计能力，应当理解基本的数据结构，包括链表、栈和队列，并且应当用C语言写过程序。

Douglas Comer，美国普度大学计算机系杰出教授，国际公认的计算机网络、TCP/IP协议、Internet和操作系统设计方面的专家。Comer出版了多部优秀的教材和专著，被翻译成16种语言，并广泛用于世界各地的工业界和学术界。Comer教授划时代的三卷巨著《Internetworking with TCP/IP》对网络和网络教育产生了革命性的影响。Comer博士是ACM院士、普度教育学院院士。

出版者的话
译者序
前言
关于作者

第1章引言和概述
1.1操作系统
1.2本书的研究方法
1.3分层设计
1.4Xinu操作系统
1.5操作系统不是什么
1.6从外面看操作系统
1.7其他章节概要
1.8观点
1.9总结
练习

第2章并发执行与操作系统服务
2.1引言
2.2多活动的编程模型
2.3操作系统服务
2.4并发处理的概念和术语
2.5串行程序和并发程序的区别
2.6多进程共享同一段代码
2.7进程退出与进程终止
2.8共享内存、竞争条件和同步
2.9信号量与互斥
2.10Xinu中的类型命名方法
2.11使用Kputc和Kprintf进行操作系统的调试
2.12观点
2.13总结
练习

第3章硬件和运行时环境概览
3.1引言
3.2E2100L的物理和逻辑结构
3.3处理器结构和寄存器
3.4总线操作：获取-存储范式
3.5直接内存访问
3.6总线地址空间
3.7内核段KSEG0和KSEG1的内容
3.8总线启动的静态配置
3.9调用约定和运行时栈
3.10中断和中断处理
3.11异常处理
3.12计时器硬件
3.13串行通信
3.14轮询与中断驱动I/O
3.15内存缓存和KSEG
3.16存储布局
3.17内存保护
3.18观点
练习

第4章链表与队列操作
4.1引言
4.2用于进程链表的统一数据结构
4.3简洁的链表数据结构
4.4队列数据结构的实现
4.5内联队列操作函数
4.6获取链表中进程的基础函数
4.7FIFO队列操作
4.8优先级队列的操作
4.9链表初始化
4.10观点
4.11总结
练习

第5章调度和上下文切换
5.1引言
5.2进程表
5.3进程状态
5.4就绪和当前状态
5.5调度策略
5.6调度的实现
5.7上下文切换的实现
5.8内存中保存的状态
5.9在MIPS处理器上切换上下文
5.10重新启动进程执行的地址
5.11并发执行和null进程
5.12使进程准备执行和调度不变式
5.13推迟重新调度
5.14其他进程调度算法
5.15观点
5.16总结
练习

第6章更多进程管理
6.1引言
6.2进程挂起和恢复
6.3自我挂起和信息隐藏
6.4系统调用的概念
6.5禁止中断和恢复中断
6.6系统调用模板
6.7系统调用返回SYSERR和OK值
6.8挂起的实现
6.9挂起当前进程
6.10suspend函数的返回值
6.11进程终止和进程退出
6.12进程创建
6.13其他进程管理函数
6.14总结
练习

第7章协调并发进程
7.1引言
7.2进程同步的必要性
7.3计数信号量的概念
7.4避免忙等待
7.5信号量策略和进程选择
7.6等待状态
7.7信号量数据结构
7.8系统调用wait
7.9系统调用signal
7.10静态和动态信号量分配
7.11动态信号量的实现示例
7.12信号量删除
7.13信号量重置
7.14多核处理器之间的协调
7.15观点
7.16总结
练习

第8章消息传递
8.1引言
8.2两种类型的消息传递服务
8.3消息使用资源的限制
8.4消息传递函数和状态转换
8.5send的实现
8.6receive的实现
8.7非阻塞消息接收的实现
8.8观点
8.9总结
练习

第9章基本内存管理
9.1引言
9.2内存的类型
9.3重量级进程的定义
9.4小型嵌入式系统的内存管理
9.5程序段和内存区域
9.6嵌入式系统中的动态内存分配
9.7低层内存管理器的设计
9.8分配策略和内存持久性
9.9追踪空闲内存
9.10低层内存管理的实现
9.11分配堆存储
9.12分配栈存储
9.13释放堆和栈存储
9.14观点
9.15总结
练习

第10章高级内存管理和虚拟内存
10.1引言
10.2分区空间分配
10.3缓冲池
10.4分配缓冲区
10.5将缓冲区返回给缓冲池
10.6创建缓冲池
10.7初始化缓冲池表
10.8虚拟内存和内存复用
10.9实地址空间和虚地址空间
10.10支持按需换页的硬件
10.11使用页表的地址翻译
10.12页表项中的元数据
10.13按需换页以及设计上的问题
10.14页面替换和全局时钟算法
10.15观点
10.16总结
练习

第11章高层消息传递
11.1引言
11.2进程间通信端口
11.3端口实现
11.4端口表初始化
11.5端口创建
11.6向端口发送消息
11.7从端口接收消息
11.8端口的删除和重置
11.9观点
11.10总结
练习

第12章中断处理
12.1引言
12.2中断的优点
12.3中断分配
12.4中断向量
12.5中断向量号的分配
12.6硬件中断
12.7中断请求的局限性和中断多路复用
12.8中断软件和分配
12.9中断分配器底层部分
12.10中断分配器高层部分
12.11禁止中断
12.12函数中中断代码引起的限制
12.13中断过程中重新调度的必要性
12.14中断过程中的重新调度
12.15观点
12.16总结
练习

第13章实时时钟管理
13.1引言
13.2定时事件
13.3实时时钟和计时器硬件
13.4处理实时时钟中断
13.5延时与抢占
13.6使用计时器来模拟实时时钟
13.7抢占的实现
13.8使用增量链表对延迟进行有效管理
13.9增量链表的实现
13.10将进程转入睡眠
13.11定时消息接收
13.12唤醒睡眠进程
13.13时钟中断处理
13.14时钟初始化
13.15间隔计时器管理
13.16观点
13.17总结
练习

第14章设备无关的I/O
14.1引言
14.2I/O和设备驱动的概念结构
14.3接口抽象和驱动抽象
14.4I/O接口的一个示例
14.5打开-读-写-关闭范式
14.6绑定I/O操作和设备名
14.7Xinu中的设备名
14.8设备转换表概念
14.9设备和共享驱动的多个副本
14.10高层I/O操作的实现
14.11其他高层I/O函数
14.12打开、关闭和引用计数
14.13devtab中的空条目和错误条目
14.14I/O系统的初始化
14.15观点
14.16总结
练习

第15章设备驱动示例
15.1引言
15.2tty抽象
15.3tty设备驱动的组成
15.4请求队列和缓冲区
15.5上半部和下半部的同步
15.6硬件缓冲区和驱动设计
15.7tty控制块和数据声明
15.8次设备号
15.9上半部tty字符输入（ttyGetc）
15.10通用上半部tty输入（ttyRead）
15.11上半部tty字符输出（ttyPutc）
15.12开始输出（ttyKickOut）
15.13上半部tty多字符输出（ttyWrite）
15.14下半部tty驱动函数（ttyInterrupt）
15.15输出中断处理（ttyInter_out）
15.16tty输入处理(tty Inter-in)
15.17tty控制块初始化（ttyInit）
15.18设备驱动控制
15.19观点
15.20总结
练习

第16章DMA设备和驱动（以太网）
16.1引言
16.2直接内存访问和缓冲区
16.3多缓冲区和环
16.4使用DMA的以太网驱动例子
16.5设备的硬件定义和常量
16.6环和内存缓冲区
16.7以太网控制块的定义
16.8设备和驱动初始化
16.9分配输入缓冲区
16.10从以太网设备中读取数据包
16.11向以太网设备中写入数据包
16.12以太网设备的中断处理
16.13以太网控制函数
16.14观点
16.15总结
练习

第17章最小互联网协议栈
17.1引言
17.2所需的功能
17.3同步对话、超时和进程
17.4ARP函数
17.5网络数据包的定义
17.6网络输入进程
17.7UDP表的定义
17.8UDP函数
17.9互联网控制报文协议
17.10动态主机配置协议
17.11观点
17.12总结
练习

第18章远程磁盘驱动
18.1引言
18.2磁盘抽象
18.3磁盘操作驱动支持
18.4块传输和高层I/O函数
18.5远程磁盘范式
18.6磁盘操作的语义
18.7驱动数据结构的定义
18.8驱动初始化（rdsInit）
18.9上半部打开函数（rdsOpen）
18.10远程通信函数（rdscomm）
18.11上半部写函数（rdsWrite）
18.12上半部读函数（rdsRead）
18.13刷新挂起的请求
18.14上半部控制函数（rdsControl）
18.15分配磁盘缓冲区（rdsbufalloc）
18.16上半部关闭函数（rdsClose）
18.17下半部通信进程（rdsprocess）
18.18观点
18.19总结
练习

第19章文件系统
19.1文件系统是什么
19.2文件操作的示例集合
19.3本地文件系统的设计
19.4Xinu文件系统的数据结构
19.5索引管理器的实现
19.6清空索引块（lfibclear）
19.7获取索引块（lfibget）
19.8存储索引块（lfibput）
19.9从空闲链表中分配索引块（lfiballoc）
19.10从空闲链表中分配数据块（lfdballoc）
19.11使用设备无关的I/O函数的文件操作
19.12文件系统的设备设置和函数名称
19.13本地文件系统打开函数（lfsOpen）
19.14关闭文件伪设备（lflClose）
19.15刷新磁盘中的数据（lfflush）
19.16文件的批量传输函数（lflWrite，lflRead）
19.17在文件中查找一个新位置（lflSeek）
19.18从文件中提取一个字节（lflGetc）
19.19改变文件中的一个字节（lflPutc）
19.20载入索引块和数据块（lfsetup）
19.21主文件系统设备的初始化（lfsInit）
19.22伪设备的初始化（lflInit）
19.23文件截断（lftruncate）
19.24初始文件系统的创建（lfscreate）
19.25观点
19.26总结
练习

第20章远程文件机制
20.1引言
20.2远程文件访问
20.3远程文件语义
20.4远程文件设计和消息
20.5远程文件服务器通信
20.6发送一个基本消息
20.7网络字节序
20.8使用设备范式的远程文件系统
20.9打开远程文件
20.10检查文件模式
20.11关闭远程文件
20.12读远程文件
20.13写远程文件
20.14远程文件的定位
20.15远程文件单字符I/O
20.16远程文件系统控制函数
20.17初始化远程文件数据结构
20.18观点
20.19总结
练习

第21章句法名字空间
21.1引言
21.2透明与名字空间的抽象
21.3多种命名方案
21.4命名系统设计的其他方案
21.5基于句法的名字空间
21.6模式和替换
21.7前缀模式
21.8名字空间的实现
21.9名字空间的数据结构和常量
21.10增加名字空间前缀表的映射
21.11使用前缀表进行名字映射
21.12打开命名文件
21.13名字空间初始化
21.14对前缀表中的项进行排序
21.15选择一个逻辑名字空间
21.16默认层次和空前缀
21.17额外的对象操作函数
21.18名字空间方法的优点和限制
21.19广义模式
21.20观点
21.21总结
练习

第22章系统初始化
22.1引言
22.2引导程序：从头开始
22.3操作系统初始化
22.4在E2100L上启动一个可选的映像
22.5Xinu初始化
22.6系统启动
22.7从程序转化为进程
22.8观点
22.9总结
练习

第23章异常处理
23.1引言
23.2异常、陷阱和恶意中断
23.3panic的实现
23.4观点
23.5总结
练习

第24章系统配置
24.1引言
24.2多重配置的需求
24.3Xinu系统配置
24.4Xinu配置文件的内容
24.5计算次设备号
24.6配置Xinu系统的步骤
24.7观点
24.8总结
练习

第25章一个用户接口例子：Xinu壳
25.1引言
25.2用户接口
25.3命令和设计原则
25.4一个简化壳的设计决策
25.5壳的组织和操作
25.6词法符号的定义
25.7命令行语法的定义
25.8Xinu壳的实现
25.9符号的存储
25.10词法分析器代码
25.11命令解释器的核心
25.12命令名查询和内部处理
25.13传给命令的参数
25.14向外部命令传递参数
25.15I/O重定向
25.16示例命令函数（sleep）
25.17观点
25.18总结

练习
附录1操作系统移植
附录2Xinu设计注解
索引

第1章引言和概述·
·第1章引言和概述
第1章
Operating System Design：The Xinu Approach，Linksys Version
引言和概述
第1章引言和概述
我们的小小系统也有风光的时刻。
——Alfred，Lord Tennyson
1.1操作系统
每一个智能设备和计算机系统中都隐藏着这么一类软件，它们控制着处理信息、管理资源以及与显示屏、网络、磁盘和打印机等设备通信的工作。总的来说，这些进行控制和协调工作的代码通常叫做执行器、监视器、任务管理器，或者内核，而我们将使用一个更宽泛的术语操作系统。
计算机操作系统是人类创造的最复杂的物体之一：计算机操作系统允许多个计算进程和用户同时共享一个CPU，保护数据免受未经授权的访问，并保持独立输入/输出（I/O）设备的正确运行。操作系统提供的高级服务都是通过向复杂的硬件发送一系列详细的命令实现的。有趣的是，操作系统并不是从外部控制电脑的独立机制——它还包括一些软件，这些软件由执行应用程序的同一处理器执行。事实上，当处理器运行应用程序的时候，处理器是不能执行操作系统的，反之亦然。
保证操作系统总在应用程序运行结束后重新夺回控制权的安排机制使得操作系统的设计变得非常复杂。操作系统最令人印象深刻的方面来自于服务和硬件之间的不同：操作系统在低级的硬件上提供高级服务。随着本书内容的推进，读者就会理解系统软件处理像串行接口这样简单的设备需要做的事情。而其中的哲学原理很简单：操作系统应该提供让编程更加容易的抽象，而不是反映底层硬1件设备的抽象。因此，我们得出结论：
设计操作系统时，应该隐藏底层的硬件细节，并创建一个为应用程序提供高级服务的抽象机器。
操作系统的设计并不是人们所熟知的工艺。最初，由于计算机的缺乏和价格的昂贵，只有少数程序员有从事操作系统相关工作的机会。而现在，由于先进的微电子技术降低了制造成本使得微处理器不再昂贵，操作系统便成为一种商品，与此同时也只有少数程序员从事操作系统方面的工作。有趣的是，由于微处理器变得非常便宜，大多数电子设备都是从可编程处理器构建得到，而不是从离散的逻辑构建得到。因此，设计与实现微机和微控制器的软件系统不再是专家的专利，它已成为一个称职的系统程序员必须能胜任的技术。
幸运的是，随着生产新机器的技术的发展，我们对于操作系统的理解也在不断提高。研究人员已经找出了根本问题，制定了设计原则，定义了基本的组件，并设计了组件一起工作的机制。更重要的是，研究人员还定义了一系列的抽象，如文件和当前进程（这些抽象对于所有的操作系统都是相同的），并且已经找到了实现这些抽象的有效方式。最后，我们知道了如何将操作系统的不同组件组织成一个有意义的系统设计与实现。
同早期系统相比，现代操作系统是简洁的、可移植的。设计良好的系统都遵循着将软件分割成一系列基本组件的基本设计模式。因此，现代系统就变得更容易理解和修改，相比早期的系统其处理开销也比较小。
供应商出售的大型商业操作系统通常包括很多额外的软件组件。例如，一个典型的操作系统软件发行版包括编译器、连接器、装载程序、库函数和一系列的应用程序。为了区分这些额外的软件和一个基本的操作系统，我们有时会用内核指代常驻在内存中并且提供诸如并发进程支持等关键性服务的代码。在本书中，操作系统这个术语指的就是内核，而不包括其他附加的功能。一个最小化内核功能的设计有时称为微内核设计。我们的讨论就将集中在微内核上。
1.2本书的研究方法
本书讲解了如何构建、设计并且实现操作系统的内核。书中使用了工程学方法，而不是仅仅罗列操作系统的特性和抽象地对其进行描述。这种方法向我们展示了每一个抽象是如何建立的，以及如何将这些抽象组织成一个优雅、高效的设计。
这种工程学方法有两个优势。第一，因为本书的内容涵盖操作系统的每一部分，所以读者会看到整个系统如何融合在一起，而不仅仅是一两个部分之间如何交互。第二，由于读者可以得到书中描述的所有部分的源代码，所以任何部分的实现都没有什么神秘的地方——读者可以获得一份系统的副本来检查、修改、工具化、测量、扩展或者将其移植到其他架构。在本书的最后，读者会看到操作系统的每个部分是如何满足设计需求的，以帮助读者理解可选的设计方案。
本书的关注点是实现，这意味着代码是本书的一个重要组成部分。事实上，代码是讨论的核心，必须通过阅读和学习所罗列的程序来欣赏其中的微妙之处和工程中的细节。例子代码都非常精简，这意味着读者可以集中精力在概念的理解上而不需要费力地阅读许多页的代码。但某些练习建议的改进或修改需要读者深入细节或者找到其他方案。熟练的程序员会找到更多方法来改进和扩展我们的系统。
……

建造计算机操作系统有点像编织锦缎。这两种工作的最终成品都是一个和谐一致、大型、复杂的人造系统。在每一种情况下，最后的人造成品都是由细微但却精巧的步骤所构造。在编织锦缎时，细节是至关重要的，因为一点点不协调的瑕疵都很容易观察到。就像锦缎里的缎面一样，加入到操作系统里的每个新组件都需要与整体的设计相协调。从这个角度看，将不同片段组装起来的机械加工只是整个建造过程中的一小部分，一个大师级的产品必须以某个模式为蓝本，所有参与系统设计的工作人员都必须遵守这种模式。
有讽刺意味的是，现有的操作系统教材或课程很少对底层的模式和原理进行解释，而这些模式和原理正是操作系统构造的基础。在学生看来：操作系统似乎是一个暗箱，而现有的教材则加强了这种误解，因为这些教材所解释的不过是操作系统的功能，其关注的也只是操作系统各种能力的使用。更为重要的是，学生在学习操作系统时采取的是从操作系统外面来察看的方式，从而常常导致这样一种感觉：认为操作系统由一组抽象的界面所组成，这些界面下的功能由一大堆晦涩神秘的代码连接在一起，而这些神秘的代码本身还包含着许多与机器硬件直接相关的、无规律可寻的奇技巧术。
令人惊奇的是，学生一旦从大学毕业，就马上觉得与操作系统有关的工作已经结束，自己不再需要理解或学习操作系统，因为由商业公司和开源社区所构造的现有操作系统足以应付各种需要，没有自己什么事情了。但没有什么比这种想法离真理更远了。有讽刺意味的是，尽管为个人计算机设计传统操作系统的公司数量比以前更少了，但社会和行业对操作系统技能的需求却在增长，许多公司雇佣大学生来从事操作系统方面的工作。社会上这些对操作系统技能的需求来源于更便宜的微处理器，这些便宜的微处理器嵌入在智能手机、视频游戏、iPod、Internet路由器、线缆和机顶盒以及打印机中。
在与嵌入式系统打交道时，有关原理和结构的知识非常关键，因为程序员可能需要在现有的操作系统内部构造某种或某个新的机制，或者对现有操作系统进行修改以便可以在新的硬件平台上运行。而且，为嵌入式设备编写应用程序时需要理解下层的操作系统。如果不理解操作系统设计的各种细微之处，则不可能充分利用这些小型嵌入式处理器的能力。
本书的目的是揭开操作系统设计中的神秘感，将方方面面的材料整合为一个系统化的整体。本书对操作系统的主要系统组件进行了详细阐述，并以一种层次架构的设计范式来组织这些组件，从而以一种有序、可理解的方式来展开这些内容。与其他评述性书籍不同的是，本书并不尽可能多地提供不同方案，呈现给读者的将是一个基于传统过程的、使用实际的、直截了当的原语所构造的操作系统。本书从一个裸机开始，一步一步地设计和实现一个小型但优雅的操作系统。这个称为Xinu的操作系统将成为系统设计的样板和模式。
虽然Xinu操作系统的规模较小，可以完全容纳在本书中，但该系统却包括了构成一个普通操作系统的全部组件：内存管理、进程管理、进程协调和同步、进程间通信、实时时钟管理、设备独立的输入输出、设备驱动、网络协议和一个文件系统。本书将这些组件组织成一个层次架构，使它们之间的相互连接清晰可见、设计过程浅显易懂。尽管规模小，但Xinu却拥有大型系统的能力。此外，Xinu并不是一个玩具系统，它在很多商业产品中得到了应用。使用该系统的厂商包括Mitsubishi、Lexmark、HP、IBM、Woodward（woodward.com）、Barnard Software和Mantissa公司。学生通过本书可以学到的重要一课是：不管是小型嵌入式系统还是大型系统，好的系统设计都一样重要，一个系统的大部分能力都来自于良好的抽象。
本书所覆盖的所有议题都以一种特定的次序排列，这种次序就是设计人员在构建操作系统时所遵守的工作次序。本书每一章描述设计架构里的一个组件，并提供示例软件来演示由该层架构所提供的功能。使用这种方式具有如下几种优点：第一，每一章所解释的操作系统的功能子集均比上一章所讨论的功能子集更大，这种安排使我们在考虑一层特定架构的设计和实现时不用关心后续层面的实现。第二，每一章的细节描述在第一次阅读时可以跳过去，读者只需要理解该层所提供的服务即可，而不是这些服务是如何实现的。第三，如果按次序阅读本书，读者可以先理解一个功能，然后在后面看到该功能是如何被后续部分所使用的。第四，有智力挑战的议题（如对并发的支持）出现在书的较前面，高层次的操作系统服务则出现在后面。在本书中，读者将看到大部分核心的功能仅仅只用几行代码就可以完成，这样我们就可以将大部分的代码（网络和文件系统）放到书的较后面，在读者已经做出了充分的思想准备后再进行讲解。
如前所述，与其他关于操作系统的许多书不一样的是，本书并不试图对每个系统组件的每种实现方案进行评估，也不对现有的商业系统进行综述。而是选择对一组使用最广泛的操作系统原语的实现细节进行阐述。例如，在讨论进程协调的一章，我们解释的是信号量（使用最广泛的进程协调原语）原语，而对其他原语（如监视器）的讨论则放到练习里。我们的目的是展示如何将原语在传统的硬件上实现，消除神秘。学生一旦理解了一组特定原语的魔力，其他原语的实现也就容易掌握了。
本书的示例代码可以运行在Linksys E2100L无线路由器上，该无线路由器在零售商店里就可以买到。只不过，我们并不是将Linksys硬件作为一个无线路由器来使用。我们的做法是，打开Linksys设备，将一根串行线连接到其控制端口，使用该串行线来中断Linksys正常的启动过程，并通过输入命令来迫使Linksys硬件下载和运行一个Xinu操作系统副本。也就是说，我们基本上忽略供应商所提供的软件，而是对其底层的硬件进行控制来运行Xinu。
本书适用于高年级的本科生或者研究生，也适用于那些想了解操作系统的计算机从业人员。在本书所提供的全部材料里，虽然没有任何议题的难度达到不能理解的程度，但学习本书的全部内容可能需要超过一学期的时间。本科生里很少有学生能够熟练地阅读串行程序，而理解运行时环境的细节或机器架构的学生就更少了。因此，必须对学生进行仔细引导，以便使其可以掌握进程管理和进程同步的知识。如果时间有限，我推荐覆盖的内容包括第1章～第7章（进程管理）、第9章（基本的内存管理）、第12章（中断处理）、第13章（时钟管理）、第14章（设备无关的I/O）和第19章（文件系统）。此外，对于一个完整学期的本科生课程来说，讨论第20章的远程文件系统等基本的远程访问议题也很重要。对于研究生课程来说，学生应当完整地阅读整本书，课堂讨论则应该专注于一些微妙的细节、各种折中和不同实现方案的比较。不管是本科生课程还是研究生课程，都应该包括的两个议题是：1）在初始化阶段，当一个运行中的程序转化为一个进程时所发生的各种改变；2）当输入行里的字符序列作为一个字符串变量传递给命令进程时，在操作系统壳里所发生的转化。
在所有情况下，如果学生能够在实验室中对系统进行动手实验，则学习的效果将大幅提高。理想的状态下，学生可以在课程的最初几天或几个星期开始使用这个系统，然后再试图理解系统的内部结构。本书第1章提供了几个例子和一些能够引起学生兴趣的实验（令人吃惊的是，很多学生在学习过操作系统课程后，却没有写过一个并发程序或使用过操作系统功能）。
如果要在一个学期内覆盖本书的大部分内容，则要求极快的进度，而这在本科生课程里难以达到。此时，选择略去哪些内容将很大程度上取决于选修本课程的学生的背景。在系统课程里，我们需要课堂讲解时间来帮助学生理解动机和细节。如果学生修过的“数据结构”课程里对内存管理和表处理进行过讨论，则本书第4章和第9章的内容可以略过。如果学生在将来会选修网络方面的课程，则第17章的网络协议内容也可以跳过。此外，本书包括一章远程磁盘系统和一章远程文件系统，这两章的内容存在一些相似之处，可以略过一章。相对来说，远程磁盘系统一章的内容可能更加贴切，因为该章引入了磁盘块缓存的议题，而该议题对于许多操作系统来说都非常重要。
在研究生课程里，课堂时间可以用来讨论动机、原理、折中、不同原语集和不同的实现方案比较。学生在本课程学习结束后，应当对进程模型、中断和进程之间的关系有一个深刻的理解，同时也将具备理解、创建和修改系统组件的能力。学生应当在大脑中建立起了整个系统的完整概念模型，并且知道所有的组件之间是如何交互协作的。
我推荐在各个层面上设计程序设计实验。本书的许多练习都推荐对代码进行修改或者测量，或者尝试不同的实现方案。相关的软件可在下面的网站上免费下载，该网站上还列有如何创建一个Linksys实验平台的指令：www.xinu.cs.purdue.edu。
因为Linksys的硬件非常便宜，所以构建一个实验的成本很低。此外，我们也有用于其他硬件平台的软件版本，这些版本包括x86和ARM的一个功能有限的版本。
本书中的许多练习都建议进行改进、实验和不同实现，但是也可以设计大型实验项目。可以用于不同硬件平台的大型实验例子包括：虚拟内存系统、不同计算机之间指令执行的同步机制、虚拟网络的设计等。例如，普度大学的一些学生就将Xinu操作系统移植到了各种处理器上，或者为各种I/O设备编写了设备驱动程序。
学习本书前，学生需要具备基本的程序设计能力。学生应当理解基本的数据结构，这些基本结构包括链表、栈和队列，并且应当用C语言写过程序。
最后，我鼓励设计人员尽可能使用高级程序设计语言，仅在必要的情况下才使用汇编语言。根据这种原则，Xinu操作系统的大部分都是用C语言编写的。少数一些与机器相关的功能，如上下文切换和中断分配器的最底层功能，则是用汇编语言写成的。所有的汇编语言代码都附有解释和注释，使读者无需学习汇编语言的细节就可以理解这些代码。此外，我们还提供用于其他平台的Xinu版本，这样就可以对在各种平台上实现Xinu操作系统的成本进行比较。例如，我们可以对在MIPS处理器上实现Xinu所需要的代码量和在其他处理器架构（如x86）上实现Xinu所需要的代码量进行比较。
本书的成书要归功于我过去在商业操作系统上所获得的各种经验，这些经验有好也有坏。虽然Xinu操作系统与现有的操作系统在内部机制上并不相同，但其基本的思想却并不新颖。另外，虽然Xinu系统里的许多概念和名称都来自于UNIX系统，但读者应当注意，这两个系统里的许多函数所使用的参数和内部结构有巨大的不同。因此，为一个系统所写的应用程序在未经修改的情况下不能在另一个平台上运行。
我感谢为Xinu项目贡献了思想、辛劳和激情的所有人的帮助。在过去的岁月里，普度大学的许多研究生都从事过本系统的工作，他们为Xinu进行过移植，写过设备驱动。从原始的系统版本开始，Xinu到目前已经走过了30多年的历程。本书的Xinu版本是原始版本的一个完全重写，但却保留了原始设计的优雅。Dennis Brylow将Xinu移植到了Linksys平台，并且创建了许多底层的构件，包括启动代码、上下文切换和Ethernet驱动。Dennis还设计了重启机制，并应用在普度大学的实验室里。另外，我特别要感谢我的妻子和我的合作伙伴Christine，她的仔细编辑和建议让本书改善良多。
Douglas E.Comer
2011年8月