论文基于NA和GCC的简易操作系统设计，该文是系统设计类论文写作资料范文和操作系统和NA*和简易方面论文参考文献范文.
文／李先锋 陈磊
摘 要：利用NA和GCC编译器完成源码编写,设计了一个从U盘引导启动的简易个人计算机操作系统,实现了系统在烧录到U盘之后开机自引导启动、基于段地址机制的CPU运行模式转换、基于GDT数据结构的内存读写管理、进程的管理等功能.
关键词：操作系统；U盘启动；内存管理；系统I/O
引言
操作系统既是计算机系统资源的管理者,也是用户与计算机交互的平台,是计算机系统中最基础、最重要的系统软件.操作系统体系是一个非常复杂的知识体系,如操作系统结构设计、进程管理、处理机管理、存储管理、文件管理和设备管理等技术.操作系统也是高校计算机相关专业一门非常重要的必修课.目前,该课程的教学大多都还停留在操作系统原理的讲解和理解,而操作系统的设计与实现则涉及较少,所以学生在学习时会感到非常抽象.因此,有必要鼓励学生在学习操作系统原理的同时自己动手开发一个能实现基本功能的简易操作系统,以达到对该课程所讲知识的更深入、更直观的理解和掌握.
1.简易操作系统设计
1.1 设计环境及工具
一台安装有Windows和Linux双系统的个人计算机；调试软件使用Bochs虚拟机；Linux系统安装Bochs虚拟机和GCC、NA编译器,利用Shell脚本实现编译自动化；Windows系统安装Bochs虚拟机,以及光盘刻录工具软件.其中,Bochs是一种十分轻便的使用C++编写的开源电脑模拟器,其典型应用是提供x86 PC的完整仿真,就像一台机器内的机器,可以在工作站模拟器里运行操作系统和软件；NA即The NetwideAssembler是一款基于80x86和x86-64平台的汇编语言编译程序,具有良好的跨平台和模块化特性,支持包括Linux、a.out、Mach－O、Win64等大量的文件格式及简单的二进制文件生成,语法简单易懂；GCC（GNU Compiler Collection,GNU编译器套件）是由 GNU 开发的编程语言编译器,是以GPL许可证所发行的自由软件,被大多数类Unix操作系统（如Linux、MacOS X等）采纳为标准的编译器.
1.2 操作系统设计
整个系统包含引导模块、实模式与保护模式转换模块、进程模块、I/O模块等.
1）系统引导
让程序直接在裸机上运行的方法就是将程序直接写入引导扇区,不依赖于任何其他软件.当计算机电源被打开时,先进行加电自检（POST）,然后寻找启动盘.
如图1所示,一旦BIOS扫描到了引导扇区,就会将这512字节的内容装载到内存地址0000:7c00处,将控制权彻底交给这段引导代码.止此,计算机不再由BIOS中的固有程序控制.“org 07c00”指引编译器将程序装载到内存偏移地址0x7c00处.
在字符显示代码段中,调用B I O S的显示服务（V i d e oService——INT 10H中断）.图1所示的这段代码最终在Bochs虚拟机中的执行效果如图2所示.
2）GDT（Global Descriptor Table）数据结构定义
在16位寄存器中,用“段:偏移”的方法只能达到1MB的寻址能力,而32位寄存器可以达到4GB的空间,如今的64位寄存器似乎已经没有上限的样子.在保护模式而非实模式下运行操作系统仍可采用这种寻址方式,单“段”的概念却发生了很大的改变,16位的CS、DS等寄存器表示的仅仅是一个索引.图3所示,为GDT数据结构表.
图中各位所表示的含义说明如下表：
3）模式转换
实模式即实地址访问模式是Intel公司80286及以后的x86兼容处理器的一种操作模式.此模式下内存可访问控件是有限的,即只能利用BIOS的映射作用,用16位段地址和16位偏移地址的组合来表示内存地址；保护模式又被称为虚拟地址保护模式,实际上,它只是一个指引,真正32位地址是Intel 80386之后才出现的操作模式.二者的根本的区别是进程内存是否受到保护.
4）存储管理
对于固定大小为4096字节的分页.如果没有分页机制,线性地址就等同于物理地址,也就是将程序内的逻辑地址直接转换为物理地址；如果利用分段机制,则要将逻辑地址转换成线性地址,线性地址再通过分页机制转换成物理地址.
2.运行测试
运行一个有调试功能的Bochs.启动后,控制台出现若干选项,默认选项为“6. Begin simulation”,可直接按回车键.如果使用的是自己编译的有调试功能的Bochs,回车后还需要再一次回车,并在出现Bochs提示符之后输入“c”并再次回车.
对系统运行进行单步执行,可以先在07c00h处设一个断点（引导扇区就是从这里开始执行的,所以这里就是入口地址）,然后单步执行（与其他调试工具一样）.在任何时刻,都可以查看CPU寄存器,或者查看某个内存地址处的内容.
图4是系统运行信息的输出日志.
第一部分是硬盘信息：只有一块磁盘、磁盘大小104MB、版本号：BXHD00011、硬盘模型号：Generic 1234.
第二部分是内存信息：内存大小为31MB.
第三部分是进程信息：该进程是模拟解压软件的进程.当然,已解压的文件数量肯定是0.然后模拟启动了两个父进程,每个父进程各有一个子进程,进程号分别是pid：9,pid：10（已存在0~8共9个进程）.
3.结论与展望
1）本设计采用基于快速原型模型的开发模式,使简易操作系统在短期内基本成型,实现系统在烧录到U盘之后开机自引导启动、利用段地址机制实现CPU运行模式的转换以达到更大的寻址能力、定义了GDT数据结构来管理内存的读写.
2）本设计与此前同类项目最大的区别是在于对BSD开源协议的支持方面.此前同类项目的研究都是利用软盘引导操作系统,而软盘早已被淘汰了,本设计则使用U盘闪存作为引导介质.
3）目前系统还只是一个最基本的内核,在内存管理和I/O设备管理方面效率较低,可移植性不高.进一步研究的目标为高效的进程管理、图形化界面、文本编辑器、编译器等基础应用的实现.
参考文献
[1] 汤小丹.计算机操作系统[M].西安：西安电子科技大学出版社,2014.5.
[2] 于渊.自己动手写操作系统[M].北京:电子工业出版社,2005. 8.
[3] 孙钟秀. 操作系统教程[M].北京:高等教育出版社,2008.5.
作者简介：
李先锋,盐城工学院信息工程学院,博士,副教授,操作系统课程负责人；
陈磊,盐城工学院信息工程学院.
点评,这篇文章为一篇适合操作系统和NA*和简易论文写作的大学硕士及关于系统设计本科毕业论文，相关系统设计开题报告范文和学术职称论文参考文献.
参考文献：
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