【正文】 共享，或者是資源復用。在引入線程的OS中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。但是由于進程擁有自己的資源，故使得調(diào)度付出的代價非常大，所以人們引入比進程更小的單位——線程。長期以來，進程都是操作系統(tǒng)中可以擁有資源并作為獨立運行的基本單位。一個進程在運行時需要一定的資源，如CPU、存儲空間以及I/O設備等。簡單來說，進程是指在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，由一組機器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成，是一個能獨立運行的活動實體。并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念，并行性是指兩個或者多個事件在同一時刻發(fā)生，而并發(fā)性是指兩個或者多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。所以，可以這樣區(qū)分“處理器的指令集結(jié)構(gòu)”和“微體系結(jié)構(gòu)”：“指令集結(jié)構(gòu)描述的是每條機器代碼指令的效果”，而“微體系結(jié)構(gòu)”描述的是處理器實際上是如何實現(xiàn)的。d) 跳轉(zhuǎn)：從指令中抽取一個字，并將這個字復制到程序計數(shù)器（PC）中，實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。b) 存儲：把一個字節(jié)（或者一個字）從寄存器復制到主存的某個位置，以覆蓋內(nèi)存中該位置原來的值。 下面是一些簡單操作的例子，可以通過這些例子更好地了解CPU的各個部件在CPU工作的作用和工作原理。寄存器文件是一個小的但是高速的存儲設備，由一些1字長的寄存器組成，每個寄存器有唯一的名字和特別的使用方式。處理器看上去是按照一個非常簡單的指令執(zhí)行模型來操作的，這個模型是由指令集結(jié)構(gòu)決定的。處理器的核心是一個字長的存儲設備，稱為程序計數(shù)器（PC），在任何時刻，PC都指向主存中的某條機器語言指令。一般來說，組成程序的每條機器指令都由不同數(shù)量的字節(jié)構(gòu)成，與C程序變量相對應的數(shù)據(jù)項的大小是根據(jù)類型變化的。 主存 主存是一個臨時存儲設備，在處理器執(zhí)行程序時，用來存放程序和程序所處理的數(shù)據(jù)?！翱刂破鳌笔侵糜贗/O設備本身或者系統(tǒng)的主板上的芯片組內(nèi)，而“適配器”是是一塊插在主板插槽上的卡。 每個I/O設備都通過一個“控制器”或者“適配器”與I/O總線相連。[1] I/O設備 輸入/輸出設備(I/O設備)是系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系通道。一個字的字節(jié)數(shù)（被稱為“字長”）是一個基本的系統(tǒng)參數(shù)，在各個系統(tǒng)中可能不相同。CPUALU寄存器文件PC總線接口I/O橋主存儲器圖形適配器磁盤控制器USB控制器磁盤鼠標鍵盤顯示器系統(tǒng)總線存儲器總線I/O總線擴展插槽圖21 計算機系統(tǒng)硬件組成的簡單模型 總線 貫穿整個系統(tǒng)的是一組電子管道，稱作“總線”，它攜帶信息字節(jié)并負責在各個部件之間傳遞。6. 答辯。4. 將已完成的簡易操作系統(tǒng)制作成光盤在真機上運行（選做）。2. 在時間允許的情況下，進一步改善用戶界面，能夠?qū)崿F(xiàn)一個簡易的圖形用戶界面，可以使用鼠標進行操作，并能夠輸出聲音（選做）。l 該操作系統(tǒng)使用鍵盤和顯示器作為基本的輸入輸出系統(tǒng)。l 該操作系統(tǒng)具有自己的硬盤驅(qū)動程序，并實現(xiàn)一個簡易的文件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的文件操作系統(tǒng)調(diào)用。 主要研究內(nèi)容1. 實現(xiàn)一個能夠在裸機上運行的簡易的操作系統(tǒng)。如：許多UNIX提供的X Window一類的系統(tǒng)、微軟的Windows系統(tǒng)、蘋果公司的Mac系統(tǒng)和IBM公司的OS/2等。自1981年第一臺IBMPC誕生以來，BIOS的功能得到不斷地增強。這些計算機在ROM（只讀存儲器）都有一個小小的啟動程序，可以把操作系統(tǒng)從磁盤裝載到內(nèi)存。在這些早期的計算機中，主要的操作系統(tǒng)是8080/8085/Z80 CPU用的Digital Research’s CP/M80，它建立在數(shù)碼設備公司(Digital Research)幾個操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要針對PDP11架構(gòu)。Apple, DOS 和以后微型處理器的發(fā)展使計算機的應用普及至中小企及個人愛好者。事實上，除了360/165和360/168外，360/40之后的大部分360系列的機器都實行微程序設計。 60年代末70年代初，幾種硬件支持相似的或提供端口的軟件可在多種系統(tǒng)上運行。 早期的操作系統(tǒng)是可以被用戶軟件所利用的功能的集合。不過，它始終屬于ATamp。后來，它成為開發(fā)小型機操作系統(tǒng)的起點。T公司開發(fā)出來的。 小型機和UNIX的崛起。盡管這些機器在性能上有明顯的差異，但是他們有統(tǒng)一的操作系統(tǒng)——OS/360。最能 反映這一狀況的是，廠家每生產(chǎn)一臺新的機器都會配備一套新的操作系統(tǒng)。早期的操作系統(tǒng)非常多樣化，生產(chǎn)商生產(chǎn)出針對各自硬件的系統(tǒng)。另一方面，操作系統(tǒng)的發(fā)展和計算機硬件的發(fā)展緊密聯(lián)系，而從計算機硬件發(fā)展的角度來看，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過了大型機時代操作系統(tǒng)、小型機時代操作系統(tǒng)（Unix）和個人計算機時代操作系統(tǒng)。如今，概念意義上的操作系統(tǒng)和通俗意義上的操作系統(tǒng)差距越來越大，通俗意義上的操作系統(tǒng)為了方便而把最普通的包和應用程序的集合包括在操作系統(tǒng)內(nèi)，而隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，一些功能更強的“第二類”操作系統(tǒng)軟件也被包括進去。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀操作系統(tǒng)并不是與計算機硬件一起誕生的，它是在人們使用計算機的過程中，為了滿足兩大需求：提高資源利用率、增強計算機系統(tǒng)性能，伴隨著計算機技術(shù)本身及其應用的日益發(fā)展，而逐步地形成和完善起來的。例如：匯編課程學習的大部分內(nèi)容都使用8086/8088的16位實模式作為學習藍本，而現(xiàn)在操作系統(tǒng)因為大內(nèi)存的使用， 基本全部是32位保護模式，雖然語法等基礎(chǔ)沒有變化，但是其32保護模式的架構(gòu)思想在匯編課程中卻沒有提及到；作為系統(tǒng)開發(fā)利器的c語言，其課程學習只是掌握表面語法，如果沒有深入地應用，沒有研究其在機器層面的原理，很多精髓都無法掌握，也就談不上真正掌握c語言；而對于學習操作系統(tǒng)本身，如果沒有閱讀經(jīng)典操作系統(tǒng)的源代碼或者嘗試去做系統(tǒng)開發(fā)這方面的實踐，對于其諸多概念和原理是無法深入理解的，只能停留在表面理解，無法做到心中有數(shù)，就更談不上創(chuàng)新了。而動手開發(fā)一個簡易的操作系統(tǒng)，從底層原理一步一步實現(xiàn)最基本和最簡單的功能，到最后積累成一個簡單的操作系統(tǒng)模型，最終達到為以后閱讀大型操作系統(tǒng)（例如Linux）的源代碼打下基礎(chǔ)的目的。一個簡易操作系統(tǒng)的實現(xiàn)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 選題背景和意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 主要研究內(nèi)容 3第2章 操作系統(tǒng)運行環(huán)境及運行原理簡述 4 計算機系統(tǒng)硬件組成簡述 4 總線 4 I/O設備 4 主存 5 處理器 5 操作系統(tǒng)的基本特性 5 6 6 6 7 操作系統(tǒng)的主要功能 7 處理機管理 7 存儲器管理 7 設備管理 8 文件管理 8 用戶接口 9 程序接口 9第3章 32位保護模式介紹 11 32位保護模式簡述 11 存儲管理機制和地址轉(zhuǎn)換機制簡介 11 保護機制 12 分段管理機制 15 段定義 15 虛擬地址到線性地址的轉(zhuǎn)換機制 15 虛擬地址到線性地址的轉(zhuǎn)換機制所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和寄存器 16 分段管理機制所依賴的兩類寄存器 17 控制寄存器 17 系統(tǒng)地址寄存器 18 系統(tǒng)段描述符、門描述符、任務狀態(tài)段 20 系統(tǒng)段描述符 20 門描述符 21 任務狀態(tài)段TSS 22 控制轉(zhuǎn)移 23 任務內(nèi)無特權(quán)級變換的轉(zhuǎn)移 23 任務內(nèi)不同特權(quán)級的變換 24 任務間控制轉(zhuǎn)移“任務切換” 26第4章 MyOS具體設計與實現(xiàn) 28 MyOS的開發(fā)語言、開發(fā)流程以及開發(fā)環(huán)境簡述 28 MyOS運行原理簡述 29 引導扇區(qū) 29 加載內(nèi)核 30 執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)核 30 MyOS內(nèi)核設計與實現(xiàn) 31 內(nèi)存管理 31 定時器設計 36 FIFO緩沖區(qū)設計 41 基本輸入輸出管理 44 多任務管理 47 圖形界面的設計 54 編程接口API設計 56第5章 利用MyOS的API編寫程序并運行 60 表秒計時器 60 游戲“貪吃蛇” 61第6章 總結(jié) 68參考文獻 69致 謝 702第1章 緒論 選題背景和意義眾所周知，一個成型的操作系統(tǒng)往往非常復雜，因為考慮到操作系統(tǒng)作為軟硬件橋梁的特殊地位，其看上去比一般的軟件系統(tǒng)更加的難以理解，因為其核心部分往往包含許多直接針對CPU，內(nèi)存和I/O端口的操作。現(xiàn)在有許多公開源代碼的操作系統(tǒng)，可供隨時下載和閱讀，但是如果沒有些許實際開發(fā)的經(jīng)驗，往往會深陷代碼的汪洋大海中，“一葉障目，不見泰山”，并且這些代碼的細節(jié)之間經(jīng)?；ハ嚓P(guān)聯(lián)，要理解起來很不容易。作為一個計算機系并有志于從事計算機相關(guān)行業(yè)的大學生來說，很多本科時期計算機相關(guān)科目的學習都僅僅是“紙上談兵”，缺乏實際操作，更談不上實際應用，這對以后的深入學習和長期發(fā)展非常不利。本文試圖通過這么一個“麻雀雖小，五臟俱全”操作系統(tǒng)的開發(fā)，達到復習并總結(jié)本科時期諸多科目的目的，包括：x86匯編語言，C語言，計算機組成原理，微機原理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，而事實上，在基本完成畢設，撰寫論文之際，對這幾門課程的確有了更新更高層次的理解，很多當時只是浮于表面的概念現(xiàn)在都能夠或多或少地落實到代碼并能夠親自實現(xiàn)和完善，同時也初步具備了自己閱讀和分析大型操作系統(tǒng)源代碼的能力。 操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了手工操作（無操作系統(tǒng)）、批處理系統(tǒng)、多道程序系統(tǒng)、分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、通用操作系統(tǒng)。在今天，沒有圖形界面和各種文件瀏覽器已經(jīng)不能稱為一個真正的操作系統(tǒng)了。大型機時代。每一個操作系統(tǒng)都有很不同的命令模式、操作過程和調(diào)試工具，即使它們來自同一個生產(chǎn)商。這種情況一直持續(xù)到二十世紀六十年代IBM公司開發(fā)了System/360系列機器。OS/360的成功陸續(xù)地催化出MFT、MVT、SVS、MVS、MVS/XA、MVS/ESA、OS/390和z/OS。UNIX操作系統(tǒng)是由ATamp。由于它的早期版本是完全免費的，可以輕易獲得并隨意修改，所以它得到了廣泛的接受。由于早期的廣泛應用，它已經(jīng)成為的操作系統(tǒng)的典范。T公司，只有那些能負擔的起許可費的企業(yè)才用得起，這限制了它的應用范圍。一些有能力的公司發(fā)展更好的系統(tǒng)，但他們不支持其他公司硬件的特性。早期的系統(tǒng)已經(jīng)利用微程序來在他們的系統(tǒng)上實現(xiàn)功能。 個人計算機時代。而計算機的普及又推動了硬件組件公共接口的發(fā)展（如S100,SS50,Apple II,ISA和PCI總線），并逐漸地要求有一種“標準”的操作系統(tǒng)去控制它們。在此基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了MSDOS（或IBM公司的PCDOS）。IBMPC系列的BIOS是這一思想的延伸。 隨著顯示設備和處理其成本的降低，很多操作系統(tǒng)都開始提供圖形用戶界面。最初的圖形用戶界面是由Xerox Palo Alto研究中心70年代初期研發(fā)出來的，之后被許多公司模仿，繼承發(fā)展。l 該操作系統(tǒng)在保護模式下運行，是一個多任務的操作系統(tǒng)，可以進行任務調(diào)度以及任務之間的通信。l 該操作系統(tǒng)具有簡單的內(nèi)存管理功能。l 該操作系統(tǒng)具有簡易的命令行風格的用戶界面，實現(xiàn)一些主要的操作系統(tǒng)命令。 3. 將已完成的簡易操作系統(tǒng)制作成軟盤鏡像文件，可在虛擬機中運行。5. 撰寫畢業(yè)論文。第2章 操作系統(tǒng)運行環(huán)境及運行原理簡述 計算機系統(tǒng)硬件組成簡述如圖21所示，這是一個計算機系統(tǒng)硬件組成的簡單模型。通常總線被設計成傳送定長的字節(jié)塊，也就是“字”（word）?，F(xiàn)在的很多機器字長有的是4個字節(jié)（即32bit），有的是8個字節(jié)（即64bit）。如圖21所示，示例系統(tǒng)包括4個I/O設備：作為用戶輸入的鍵盤和鼠標，作為用戶輸出的顯示器，以及用于長期存儲數(shù)據(jù)和程序的磁盤驅(qū)動。“控制器”和“適配器”之間的主要區(qū)別是它們的封裝方式。但是這兩者的任務一樣的，它們都負責在I/O總線和I/O設備自檢傳遞和翻譯信息。 從物理組成的角度來說，主存是一組動態(tài)隨機存取存儲器芯片組成的，從邏輯來說，主存就是一個線性的字節(jié)數(shù)組，每一個字節(jié)都有唯一的地址，這些地址從0開始。 處理器 中央處理單元（CPU），簡稱處理器，是解釋和執(zhí)行存儲在主存中指令的引擎。 從系統(tǒng)通電開始，直到系統(tǒng)斷電，處理器都一直在不斷地執(zhí)行程序計數(shù)器所指向的指令，再更新程序計數(shù)器，使其指向下一條需要執(zhí)行的指令，這條指令不一定和上一條執(zhí)行的指令相鄰。 這樣的簡單操作并不多，而且操作是圍繞主存、寄存器文件、和算術(shù)邏輯單元（ALU）進行的。而ALU則負責計算，計算數(shù)據(jù)和地址。CPU在執(zhí)行的要求下，可能會執(zhí)行以下操作：a) 加載：把一個字節(jié)（或者一個字）從主存復制到寄存器，寄存器里原來的值被覆蓋。c) 計算：把兩個寄存器的內(nèi)容復制到ALU，ALU對這兩個字做算術(shù)運算，并將結(jié)果存在一個寄存器中，寄存器里原來的值被覆蓋。e) 處理器看上去指示它的指令集結(jié)構(gòu)的簡單實現(xiàn)，但是實際上現(xiàn)代處理器使用了非常復雜的機制來加速程序的執(zhí)行。 操作系統(tǒng)的基本特性 操作系統(tǒng)的基本特性有并發(fā)性、虛擬性、共享性、異步性，其中，并發(fā)性和虛擬性是操作系統(tǒng)最重要的兩個特性。為了使多個程序能夠在系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須為每個程序建立進程（Process）。多個進程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。操作系統(tǒng)中程序的并發(fā)執(zhí)行將使系統(tǒng)復雜化，以至于在系統(tǒng)中必須增設若干新的功能模塊，分別用于對CPU、內(nèi)存、I/O設備以及文件系統(tǒng)等重要資源進行管理，并控制好系統(tǒng)中各個進程的運行。當一個進程因故不能繼續(xù)運行，操作系統(tǒng)便調(diào)度另一個程序運行。通常一個進程中包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源。由于線程比進程更小，基本上不擁有系統(tǒng)轉(zhuǎn)，所以對地進行調(diào)度所花費的系統(tǒng)資源很少，從而能夠更高效地提高系統(tǒng)內(nèi)多個程序并發(fā)執(zhí)行的程度。由于資源的屬性不同，進程對資源的復用方式也不同，主要實現(xiàn)資源共享的方式有以下兩種：互斥共享方式和同時訪問方式。物理實體是實際存在的，而邏輯對應物是現(xiàn)對于用戶來