操作系统发展研究的论文

对系统的移植和裁剪，以达到所需的系统要求以PowerPC8xx系列处理器为例，通过对此类处理器的引导模式。引导代码的编写和调试，以及如何引导操作系统执行等问题的研究，探索嵌入式系统引导过程的一种解决方案。关键词：MPC860嵌入式操作系统存储映射引导嵌入式系统应用开发不同于PC机，其开发过程同时涉及软硬件，需要将硬件平台的设计。操作系统以及上层应用开发综合考虑；而PC机应用开发建立在已经定制好的硬件和操作系统平台上，开发者只需调用系统提供的接口和服务完成相应的功能。由于应用和成本约束，嵌入式系统的硬件平台需根据应用量身定制，通常所用的MPU.存储器。外围设备等有多种选择余地，而且软件调试技术特殊，使平台的引导设计变得十分复杂。因此，对于嵌入式系统开发者而言，有必要深入分析系统引导过程，将软硬件开发有效地综合，即针对不同的硬件平台和软件运行模式，正确地进行底层上电初始化，进而引导操作系统执行。这个问题的核心在于对系统的引导模式的研究。嵌入式系统的启动代码一般由两部分构成：引导代码和操作系统执行环境的初始化代码。其中引导代码一般也由两部分构成：第一部分是板级。片级初始化代码，主要功能是通过设置寄存器初始化硬件的工作方式，如设置时钟。中断控制寄存器等，完成内存映射。初始化MMU等；第二部分是装载程序，其功能是将操作系统和应用程序的映像从只读存储器装载或者拷贝到系统的RAM中，并跳转到相应的代码处继续执行。操作系统执行环境的初始化代码主要由硬件抽象层HAL代码。设备驱动程序初始化代码和操作系统执行体初始代码三部分构成。本文以摩托罗拉MPC860处理器和具有自主知识产权的操作系统CRTOSII为例，研究嵌入式系统引导程序的设计和实现技术。嵌入式软件的开发涉及调试模式和固化模式两种运行状态。调试模式主要解决如何在目标板上调试正确性未经验证的程序的问题；而固化模式主要解决如何引导已调试成功的程序的问题。相应地，引导代码的设计应针对两种模式分别进行。1调试模式的系统引导1．1调试模式引导代码的作用1调试模式的系统引导1．1调试模式引导代码的作用一个完整的嵌入式软件的解决方案大致包括四方面：①硬件平台配置初始化和系统引导代码；②操作系统软件执行环境的初始化代码；③操作系统；④应用程序。在上述四方面中，引导代码是本研究中力求解决的问题。事实上，板级初始化。操作系统硬件抽象层。设备驱动程序三者整合到一起，就构成了嵌入式系统中BSP(板级支持包)的主体。BSP的代码与具体的目标板硬件设计相关，同时也与应用程序的设计要求相关，针对应用程序提出的不同要求，例如不同设备驱动程序。不同的中断源个数。不同的中断优先级安排。是否启用MMU机制等，BSP部分应作出相应的安排。上述第四部分的应用程序是建立在前三部分正确运行的基础上，并需反复调试。由上述分析可知，BSP和应用程序代码的正确性通过一次的编写不能得到保证，需要经历“调试——修改——调试”反复的过程，因此需要建立一个可靠的调试环境。该环境建立的基础正是调模式下的引导代码。1．2引导代码的调试方法本研究实验采用一种称作BDM(Background Debug Mode)的OCD(On Chip Debuging)调试技术。BMD是由Motorola公司提供的一种硬件调试方法，类似于JTAG调试。它利用处理器提供的调试端口调试。MPC860采用一种特殊的BDM——EPBDM,其运作相当于用处理器内嵌的调试模块接管中断及异常处理，用户通过设置调试许可寄存器(debug enable register)指定哪些中断或异常发生后处理器直接进入调试状态，而不是操作系统的处理程序。进入调试状态后，内嵌调试模块向外部调试通信接口发出信号，通知一直在通信接口监听的主机调试器，然后调试器便可通过调试模块使处理器执行系统指令(相当于特权态)。由于专用的片级调试接口装置(BDI2000)的支持，不需要目标端配备相应的调试代理(Monitor)软件。1．3调试模式引导代码实现调试模式引导代码的核心在于使用BDM协议解析微指令，通过调试接口向MPC860发送信号，初始化调试环境。由于MPC860采用RISC结构，所以初始化部分主要是设置处理器内部寄存器，这个过程包括三方面内容：(1)对处理器相关寄存器进行初始化：主要是关于处理器状态的寄存器(等),中断。时钟相关模块(等)。(2)对BDM调试端口的初始化：包括调试使能寄存器DER.支持指令断点的寄存器ICTRL等。(3)对片级。板级内存映射的初始化：包括内部内存映射寄存器IMMR,内存控制相关寄存器OR0～～BR7等。它们主要功能是地址映射。片选信号选择。内存控制器选择()。如果选择UPM,由于UPM控制采用微指令方式，而这些微指令根据内存的不同(等),需要设计人员自行编写代码写入MPC860内部存储区相应位置。对于需要实时刷新的存储体(如SDRAM),还需设置刷新控制微指令。上述初始化代码得以执行，一方面依赖于目标机MPC860提供的调试接口支持，另一方面也需要宿主机GDB的支持。对于宿主机系统，可能选择Linux,在其下配置GBD；也可以选择Windows2000,使用可视化的调试工具LambdaTools GDB(Coretek公司产品，不支持硬件断点),或者使用BDI2000(支持硬件断点的仿真器)。不管使用哪种调试工具，都可以使用该调试器能够识别的脚本文伯存放初始化指令。这些脚本在功能上是等效的，指令的描述一般都采用如下格式：操作码寄存器数值如在嵌入式Linux下SDRAM初始化的代码片断为：mpcbdm spr MDR=0x1FF77C35mpcbdm spr MDR=0xEFEABC34mpcbdm spr MDR=0x1FB57C35……而在Windows2000下使用BDI2000代码为：WUPM 0x00000005 0x1FF77C35WUPM 0x00000006 0xEFEABC34WUPM 0x00000007 0x1FB57C35……脚本描述的指令执行后，MPC860按照预先的设想进入一个可以正常工作的状态，可以用装载器将程序下载到SDRAM中调试执行。这个程序主要包含中断表。操作系统和应用程序映象两部分，其格式可以为等。图1给出了下载完毕后的内存映象。当程序下载完成后，PC指针指向Image代码段(text段)的首条指令，可以利用调试器提供的命令开始调试。2固化模式的系统引导2．1概述经过调试后，OS和上层应用程序构成的Image的正确性得到了保证，但是这个Image不能自主运行。因为调试模式下，是通过BDM接口初始化处理器，并且通过BDM接口将程序下载到RAM中去运行。实际应用环境中，Image必须被存储在非易失性存储器中，如等，本文选择Flash。系统启动时，处理器执行一段引导程序替代调试模式下的调试脚本和装载程序的功能。启动代码主要考虑以下几个问题：(1)系统上电和复位时程序如何执行，需要初始化哪些寄存器，重点仍然是内存映射相关部分；(2)启动代码为几部分，每部分代码应该全部还是部分放到Flash或者RAM中执行；(3)在时间效率和空间效率的折衷。2．2上电初始化在两种引导模式下，上电初始化总是必要步骤。它涉及各种核心寄存器初始化。地址映射等问题的处理。2．2．1地址映射MPC860的复位是通过一种异常中断来处理的(可理解为CPU自己产生的中断),向量号为0x100。异常向量表的基地址加上复位向量号即为复位向量，也就是CPU开始执行指令的地方。异常向量表在内存空间的可能位置有两个：0x0000000和0xFFF00000。所以PowerPC的复位向量为0x100或0xFFF00100。假设复位向量为0xFFF00100,系统有128K字节的Flash,并准备把它映射到CPU内存空间0xFE000000开始的地址。MPC860内部的CS0片选信号是默认的系统启动片选信号，已被连接到Flash的片选线上。上电时，内存控制器会忽略所有参与征选逻辑的地址线的高17位，CS0总是有效。这样，Flash总会被选中，CPU从Flash偏移0x100的地方取指令，此时CPU的4GB内存空间的每个128KB的块都被映射到Flash。2．2．2寄存器初始化固化方式下的大致相同，但是不再采用脚本文件编写，而是直接将一段MPC860汇编程序存放在一个文件中。与调试模式初始化程序一样，主要完成以下处理：(1)初始化CPU核心寄存器；(2)设置机器状态寄存器；(3)禁止ceche；(4)初始化IMMR；(5)初始化系统接口单元(SIU)；(6)初始化时钟和中断控制寄存器；(7)初始化通信处理机(CPM)；(8)初始化内存控制器(UPM)；(9)初始化C语言堆栈。2．2．3地址空间重映射上电时，由于只有一个片选信号有效，它选通了Flash,而RAM和其它存储设备地址无效，需要经过地址空间重映射才能访问。MPC860的地址空间重映射是通过设置0R0～～BR7这十六个寄存器完成的。由于上电时4GB的地址空间均被Flash占用，所以0xFFF00100这个地址仍在Flash的偏移0x100处。在寄存器初始化过程中，需要把内部寄存器空间以及外设等也映射进来。在进行这些操作前，需要把Flash的位置固定下来，例如映射到0xFE000000,这个操作是通过设置OR0和BR0寄存器实现的。但在写OR0时，CPU仍然在0xFFF00000的那一块取指令，而Flash即将被映射到0xFE000000块，所以程序必定出现“跑飞”的现象，必须对程序计数器(PC)进行调整，然而PC指针对程序员是不可见的，必须用跳转指令修改它。在Flash地址映射完成后，通过设置OR1～～BR7可以完成对所有存储器空间的映射，各种存储设备可映射在CPU地址空间中的任意位置，但相互之间不能冲突。2．3引导代码的构成和运行系统启动所涉及的代码由寄存器初始化汇编文件.一个Load程序以及操作系统与应用程序的Image三部分构成，引导代码则只包含和Load程序。Load程序的作用是将操作系统与应用程序的构成的Image从Flash拷贝到SDRAM中，并跳转到Image的首条指令。调试完成后的Image有两种运行模式：Flash-resident image:Load程序仅仅把Image中的数据段(data+bss)复制到RAM中，代码段(text)在Flash中直接运行。Flash-based image:Load程序把Image完全搬到RAM中执行，包括image中的代码段(text)和数据段(data+bss)。图2和图3分别描述了两种Image的存贮映象，以及从Flash到SDRAM的装载过程。2．4时间效率和空间效率上的折衷在嵌入式系统的应用过程中，针对不同的应用环境，对时间效率和空间效率有不同的要求，基于MPC860的启动代码对此有比较充分的解决方案。2．4．1时间限制时间限制主要包括两种情况：系统要求快速启动和系统启动后要求程序高速执行。对于要求快速启动的系统，应该使在Flash中执行的初始化程序尽量简短，诸如循环语句之类的语法应该尽量减少，尽快将程序装载到RAM中执行，这样做的原因在于Flash的访存时间与RAM的访存时间存在数量级上的差距。但是必须根据代码量以及存储器的特片进行权衡。因为，虽然RAM中捃速度快，但是将Flash中的代码复制到RAM中的操作会带来一定的开销。由于可见，启动时间由Flash中引导代码的运行时间。代码从Flash拷贝到RAM的时间以及RAM中后续启动代码的运行时间三部分组成。启动时间的最小值是这三者和的最小值。对于启动后要求程序高速执行的系统，主要受处理器。存储器特性以及I/O速度等的影响。在软件方面，应该采用了上述Flash-based image方式，使得代码段在RAM中运行，提高运行速度。2．4．2空间限制空间限制主要包括两种情况：Flash等非易失性存储空间有限和RAM等易失性空间有限两种系统。对于采用高性能非易失性存储器的系统，出于成本因素，Flash等存储设备不能太大，然而它又是系统存放启动代码和操作系统Image的地方。在存放Image时，可以先使用gzip等压缩工具进行压缩，在将Image加载到RAM时采用逆向的解压缩算法解压。同时，出于实时性考虑，压缩算法不能过于复杂，否则压缩解压过程消耗大量时间将与启动时间限制发生严重冲突。采用压缩策略并不一定会增加系统启动时间，因为压缩解压过程虽然消息了一定的时间，但是由于Image体积减小，由Flash复制到RAM中的时间相应减少，有可能反而减少了时间消耗。对于采用高性能RAM的系统，同样出于成本因素，RAM空间有一定限制，此时一般采用前文描述的Flashresident image方式：Load程序把Image中的数据段复制到RAM中，代码段在Flash中运行。折衷同样存在，因为code段在低速的Flash中运行，在节省空间的同时，却牺牲了时间。本文介绍了基于嵌入式处理器的操作系统引导方法，重点研究嵌入式系统的引导模式以及不同类别的引导方法。以在MPC860C处理器上引导CRTOSII操作系统为例，阐述了调试模式和固化模式下引导代码的构成。作用以及执行方式，并对不同引导模式下的时空效率的折衷进行了分析。最终，借助BDI2000仿真器对编写的引导代码进行调试，成功实现了调试模式和固化模式下操作系统的引导。后续工作包括：继续研究在不同硬件平台上的操作系统引导方法，例如最流行的系列；在同一平台上，可以研究不同操作系统的启动方法，例如嵌入式等。

回答：pzhghs 学长 2月27日 01:42 把系统安装盘放进光驱，然后在打开“开始→运行”，输入 setupapi,InstallHinfSection DefaultInstall 132 %windir%\Inf\，让系统重装一下IE。 使用Windows操作系统的人有时会遇到这样的错误信息：“0X????指令引用的0x00000000内存，该内存不能为read或written”，然后应用程序被关闭。如果去请教一些“高手”，得到的回答往往是“Windows就是这样不稳定”之类的义愤和不屑。其实，这个错误并不一定是Windows不稳定造成的。本文就来简单分析这种错误的常见原因。 一、应用程序没有检查内存分配失败 程序需要一块内存用以保存数据时，就需要调用操作系统提供的“功能函数”来申请，如果内存分配成功，函数就会将所新开辟的内存区地址返回给应用程序，应用程序就可以通过这个地址使用这块内存。这就是“动态内存分配”，内存地址也就是编程中的“指针”。 内存不是永远都招之即来、用之不尽的，有时候内存分配也会失败。当分配失败时系统函数会返回一个0值，这时返回值“0”已不表示新启用的指针，而是系统向应用程序发出的一个通知，告知出现了错误。作为应用程序，在每一次申请内存 后都应该检查返回值是否为0，如果是，则意味着出现了故障，应该采取一些措施挽救，这就增强了程序的“健壮性”。 若应用程序没有检查这个错误，它就会按照“思维惯性”认为这个值是给它分配的可用指针，继续在之后的运行中使用这块内存。真正的0地址内存区保存的是计算机系统中最重要的“中断描述符表”，绝对不允许应用程序使用。在没有保护机制的操作系统下（如DOS），写数据到这个地址会导致立即死机，而在健壮的操作系统中，如Windows等，这个操作会马上被系统的保护机制捕获，其结果就是由操作系统强行关闭出错的应用程序，以防止其错误扩大。这时候，就会出现上述的“写内存”错误 ，并指出被引用的内存地址为“0x00000000”。 内存分配失败故障的原因很多，内存不够、系统函数的版本不匹配等都可能有影响。因此，这种分配失败多见于操作系统使用很长时间后，安装了多种应用程序（包括无意中“安装”的病毒程序），更改了大量的系统参数和系统文件之后。 二、应用程序由于自身BUG引用了不正常的内存指针 在使用动态分配的应用程序中，有时会有这样的情况出现：程序试图读写一块“应该可用”的内存，但不知为什么，这个预料中可用的指针已经失效了。有可能是“忘记了”向操作系统要求分配，也可能是程序自己在某个时候已经注销了这块内存而“没有留意”等等。注销了的内存被系统回收，其访问权已经不属于该应用程序，因此读写操作也同样会触发系统的保护机制，企图“违法”的程序唯一的下场就是被操作终止运行，回收全部资源。计算机世界的法律还是要比人类有效和严厉得多啊！ 像这样的情况都属于程序自身的BUG，你往往可在特定的操作顺序下重现错误。无效指针不一定总是0，因此错误提示中的 内存地址也不一定为“0x00000000”，而是其他随机数字。 如果系统经常有所提到的错误提示，下面的建议可能会有帮助： 1.查看系统中是否有木马或病毒。这类程序为了控制系统往往不负责任地修改系统，从而导致操作系统异常。平常应加强信息安全意识，对来源不明的可执行程序绝不好奇。 2.更新操作系统，让操作系统的安装程序重新拷贝正确版本的系统文件、修正系统参数。有时候操作系统本身也会有BUG，要注意安装官方发行的升级程序。 3.试用新版本的应用程序。

操作系统（Operating System，简称OS）传统上是负责对计算机硬件直接控制及管理的系统软件。操作系统的功能一般包括处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理等。当多个程序同时运行时，操作系统负责规划以优化每个程序的处理时间。 一个操作系统可以在概念上分割成两部分：内核(Kernel)以及壳(shell)。一个壳程序包裹了与硬件直接交流的内核：硬件<->内核<->壳<->应用程序 在有些操作系统上内核与壳完全分开（例如Unix、Linux等），这样用户就可以在一个内核上使用不同的壳；而另一些的内核与壳关系紧密（例如Microsoft Windows），内核及壳只是操作层次上不同而已。 Windows 98是一个发行于1998年6月25日的混合16位/32位的图形操作系统。这个新的系统是基于Windows 95上编写的，它改良了硬件标准的支持，例如USB、MMX和AGP。其它特性包括对FAT32文件系统的支持、多显示器、Web TV的支持和整合到Windows图形用户界面的Internet Explorer，称为活动桌面（Active Desktop）。Windows 98 SE（第二版）发行于1999年6月10日。它包括了一系列的改进，例如Internet Explorer 5、Windows Netmeeting 3、Internet Connection Sharing和对DVD-ROM的支持。Windows 98被人批评为没有足够的革新。即使这样，它仍然是一个成功的产品。第二版被批评为不能在第一版的基础上自由升级。 Windows 98的最低系统需求：486DX/66MHz或更高的处理器，16MB的内存，更多的内存将改善性能；如果使用FAT16文件系统, 典型安装需250兆；因系统设置和选项不同, 所需空间范围在225兆到310兆之间；如果使用FAT32文件系统, 典型安装需245兆；因系统设置和选项不同, 所需空间范围在200兆到270兆之间；CD－ROM或DVD－ROM驱动器和VGA或更高分辨率的显示器，微软鼠标或兼容的指向设备。 Windows ME是一个32位图形操作系统，由微软公司发行于2000年9月14日。这个系统是在Windows 95和Windows 98的基础上开发的。它包括相关的小的改善，例如Internet Explorer 。其中最主要的改善是用于与流行的媒体播放软件RealPlayer竞争的Windows Media Player 7。但是Internet Explorer 和Windows Media Player 7都可以在网上免费下载。Movie Maker是这个系统中的一个新的组件。这个程序提供了基本的对视频的编辑和设计功能，对家庭用户来说是简单易学的。但是，最重要的修改是系统去除了DOS，而由系统恢复代替了。 在概念上，这是一个大的改进：拥护不再需要有神秘的DOS行命令的知识就可以维护和修复系统。实际上，去除了DOS功能对维护来说是一个障碍，而系统恢复功能也带来一些麻烦：性能显著的降低；它也被证明并不能有效的胜任一些通常的错误。由于系统每次都自动创建一个先前系统状态的备份，使得非专业人员很难实行一些急需的修改，甚至是删除一个不想要的程序或病毒。有观点认为这个系统只是Windows 98的升级版本，不应该独自成为一个版本。也有观点认为这是微软自版以后最差的第一个没有发行第二版的Windows。 Microsoft Windows 2000（起初称为WinNT ）是一个由微软公司发行于2000年12月19日的32位图形商业性质的操作系统。Windows 2000有四个版本：Professional、Server、Advanced Server和Datacenter Server。另外，微软提供了Windows 2000 Advanced Server限定版，用于运行于英特尔Itanium 64位处理器上。所有版本的Windows 2000都有共同的一些新特征：NTFS5，新的NTFS文件系统；EFS，允许对磁盘上的所有文件进行加密；WDM，增强对硬件的支持。 Microsoft Windows 2000的最低系统要求：133 MHZ或更高主频的Pentium级兼容CPU，推荐最小内存为64MB，更多的内存通常可以改善系统响应性能[最多支持4GB内存]，至少有1GB可用磁盘空间的2GB硬盘（如果通过网络进行安装，可能需要更多的可用磁盘空间），Windows 2000 Professional支持单CPU和双CPU系统。 Windows XP，或视窗XP是微软公司最新发布的一款视窗操作系统。它发行于2001年10月25日，原来的名称是Whistler。微软最初发行了两个版本，家庭版（Home）和专业版（Professional）。家庭版的消费对象是家庭用户，专业版则在家庭版的基础上添加了新的为面向商业的设计的网络认证、双处理器等特性。字母XP表示英文单词的“体验”（experience）。 在XP之前，微软有两个相互独立的操作系统系列，一个是以Windows 98和Windows ME为代表的面向桌面电脑的系列，另一个是以Windows 2000和Windows NT为代表的面向服务器市场的系列。Windows XP是微软把所有用户要求合成一个操作系统的尝试，而为此付出的代价是丧失了对基于DOS程序的支持。 Windows XP是基于Windows 2000代码的产品，同时拥有一个新的用户图形界面（叫做月神Luna），它包括了一些细微的修改，其中一些看起来是从Linux的桌面环境（desktop environmen）诸如KDE中获得的灵感。带有用户图形的登陆界面就是一个例子。此外，Windows XP还引入了一个“基于人物”的用户界面，使得工具条可以访问任务的具体细节。然而，批评家认为这个基于任务的设计指示增加了视觉上的混乱，因为它除了提供比其它操作系统更简单的工具栏以外并没有添加新的特性。而额外进程的耗费又是可见的。 它包括了简化了的Windows 2000的用户安全特性，并整合了防火墙，以用来确保长期以来以着困扰微软的安全问题。 由于微软把很多以前是由第三方提供的软件整合到操作系统中，XP受到了猛烈的批评。这些软件包括防火墙、媒体播放器（Windows Media Player），即时通讯软件（Windows Messenger），以及它与Microsoft Pasport网络服务的紧密结合，这都被很多计算机专家认为是安全风险以及对个人隐私的潜在威胁。这些特性的增加被认为是微软继续其传统的反竞争行为的持续。 另外受到强烈批评的是它的产品激活技术。这使得主机的部件受到监听，并在软件可以永久使用前（每30天一个激活周期）在微软的记录上添加一个唯一的参考序列号（reference number）。在其它计算机上安装系统，或只是简单的更换一个硬件，例如网卡，都将产生一个新的与之前不同的参考序列号，造成用户必须重新输入安装序列号来激活Windows XP的麻烦。 Windows XP的最低系统要求：推荐计算机使用时钟频率为 300 MHz 或更高的处理器；至少需要 233 MHz （单个或双处理器系统）；推荐使用Intel Pentium/Celeron 系列、AMD K6/Athlon/Duron 系列或兼容的处理器，推荐使用 128 MB RAM 或更高（最低支持64M，可能会影响性能和某些功能）， GB可用硬盘空间，Super VGA (800x600) 或分辨率更高的视频适配器和监视器，CD-ROM或DVD驱动器，键盘和Microsoft 鼠标或兼容的指针设备。