前言

1．本書研究的核心內容

本書研究內容從實踐中來，并應用到實踐中，解決教學用計算機系統頻繁修復和教學系統實時傳輸應用的難題。經過長期的研究，針對教學用計算機系統進行設計改進，依據嵌入式理論，提出這樣一個新的觀點：把計算機操作系統從硬盤中剝離出來，固化于可擦寫型芯片EEPROM中，安裝在計算機主板PCI擴展槽上，改進計算機啟動方案，自檢過后，直接由ROM中的操作系統啟動，實現自舉。應用程序、大量數據文件、特性設置文件依然安裝在硬盤中。為適應教學需求，在ROM中同時固化入一段教學系統程序，在操作系統啟動完成后，直接跟隨操作系統啟動，教學系統獨立存在，基本不占用或很少占用教師端和學生端系統資源。設計專門與網絡相結合的保護系統，可以對計算機CMOS、硬盤應用系統等進行常規維護。固化的操作系統、教學系統和保護系統三者整合成PCI硬件卡，形成免維護的操作系統和易維護的應用系統應用在計算機中，構成功能完備的教學用計算機系統。以嵌入式片上系統理論制成PCI可插拔硬件卡，加入計算機硬件系統中，實現教學用計算機操作系統的長久保護。并在此基礎上，分析研究操作系統“無損修復”和免維護計算機的實現。要更新操作系統，可通過留取的USB接口更新，要更新或重新安裝硬盤應用系統，可通過網絡Ghost硬盤某一分區來恢復實現。教學系統獨立存在，基本不占用計算機的系統資源，保護系統和計算機教學系統以及網絡成為有機整體。嵌入式PCI卡可直接應用在2005年左右生產的計算機上，可解決操作系統由Windows 98/XP/Vista等改成流行的Windows 7或Windows 8后難以加載和速度慢的難題，讓將要淘汰的計算機再多服務一段時間。

2．本書研究項目的價值

本書圍繞嵌入式應用，以實驗研究為主要研究方法，論述核心研究內容的具體實現過程，寫作內容源自作者主持的秦皇島市科研課題項目，課題名稱為“教學用計算機操作系統的固化研究”，課題項目審批編號為20091A047，屬于本書論述內容前期研究當中的一個子項目。從應用前景展望分析，創新點主要集中在兩個方面。第一是使用固化在EEPROM中的操作系統啟動計算機。操作系統從硬盤中剝離出來，固化于可擦寫型芯片EEPROM中，安裝在計算機主板PCI擴展槽上，改進計算機啟動方案，自檢過后，直接由ROM中的操作系統啟動，實現自舉。把應用程序、大量數據文件、特性設置文件依然安裝在硬盤中。這種方法的實現，對操作系統的保護是根本性的，對解決現有公共機房、人員流動應用計算機的安全問題，屬于一種新方法。第二是教學系統可獨立工作。教學系統采用簡單的硬件模塊調整處理抓屏信號的方式，采集教學主機集號，每臺計算機都是教學主控機，也可以是受控計算機，在對等網上利用流媒體的傳輸方式進行有效的快速傳輸。這種方式比常規的硬件采集卡節省資金，比當前純軟件的“多媒體教室”方式又提高了速度。特別是使用了嵌入式的SC6400A微處理器，可以從根本上解放計算機CPU的資源，可以實現兩種教學模式，一種是全控方式，另一種是窗口互動教學方式。窗口方式實現被控制機上以窗口方式顯示教學演示，同時可以讓學生同步跟隨練習。

通過以上主要研究問題的創新性實驗，從實踐和應用角度解決如下問題。

（1）解決了計算機系統頻繁修復的難點。

當前的計算機以馮·諾依曼理論為基礎，即計算機采用存儲程序與程序控制，磁盤管理、基本輸入輸出類的操作系統，和一般應用軟件全放在一起，這種結構有脆弱性，在沒有安全保護措施時，如果不做系統維護并長期使用，計算機系統經常會出現問題。教學用計算機使用者流動性大，病毒、誤操作時有發生，系統的安全和維護更是一個令人頭痛的難題。操作系統是一臺計算機的核心，無論是個人家用計算機還是學校機房中的計算機，一旦操作系統損壞，必須修復才能保證計算機的正常使用。對于非專業人員來說，維護是難點。那么公用計算機房等大批量計算機使用的地方，操作人員頻繁輪換，各種應用軟件安裝很多，系統維護更是令人非常頭痛的難題。為此作者一直研究計算機系統安全和系統重復長效利用等問題，從1998年開始進行計算機硬盤保護卡相關研究，從軟、硬兩方面著手開展以實驗為基礎的研究。其間經多次轉變思路，才確定了上述方案。

當前用得較多的“網絡克隆”、“還原卡”或是“還原軟件”，基本原理是對原有硬盤中存儲的系統、程序進行覆蓋、刪除，或者是記錄操作痕跡等，這是一種對硬盤程序“損傷性”地重建過程，反復進行對硬件會造成一定程度的磨損，特別是應用保護卡時，對硬盤固定區域的讀寫非常頻繁，甚至會造成損傷硬件，因此在本書中，將把此類修復過程定義為“有損修復”。討論計算機系統的“無損修復”很有現實意義。

保護系統產品因系統安全需求而大量涌現，技術也日趨成熟。一般的PCI保護卡只要用兩三塊集成芯片組就能實現，硬件結構簡單，工作原理簡潔。本書中論述保護系統是通過硬件芯片與MBR硬盤分區表一起協同工作，采用“基于BIOS映射地址轉移”的技術，使所有寫入硬盤的數據重新定位到其自身的中斷程序控制范圍內。

在計算機的主板上，基本都空閑著多個PCI擴展槽，充分利用計算機內閑置的PCI類擴展槽，以嵌入式片上系統理論制成PCI可插拔硬件卡，加入計算機硬件系統中，實現教學用計算機操作系統的長久保護。要更新操作系統，可通過留取的USB接口更新，要更新或重新安裝硬盤應用系統，可通過網絡Ghost硬盤某一分區來恢復實現。當計算機出現問題時，直接重啟計算機，重新裝入系統。

（2）教學系統相對獨立，實時工作性強。

現在流行的教學系統“多媒體教室”純軟件版占有主流市場，軟件的優點是節省資金，缺點是和大的軟件系統并行應用時傳輸有難度。軟件版教學系統多是一套基于局域網的多媒體教學軟件，實現教學過程通常要獨占整個網絡資源，教師演示時要切換為全網資源獨占，學生練習時要放棄教師端控制。教學中常有教師做一步學生做一步的跟隨練習，這時教學過程非常難以組織，很難做到教師和學生實時分步跟隨練習。

應用嵌入式微處理器S32440A與PC系統CPU工作并行處理數據，或只依賴于PC的CPU部分資源，分擔計算機CPU的工作，實現教學系統快速獨立運行。計算機房的計算機教學系統固化在芯片中應用，可以直接在操作系統啟動后，教學系統隨之啟用，很少占用計算機主CPU資源，由PCI卡上的教學系統獨立的CPU完成控制、傳輸、采樣等具體工作，提高了計算機運行速度。這樣的控制模式實現了教學全控演示模式和窗口演示模式。

P2P技術近年來獲得急速的發展，得以爆炸性的應用，成為當前互聯網上的主流熱點媒體傳輸技術。圍繞IP音頻和視頻文件共享和播放應用，目前P2P應用占寬帶流量的80%～90%。教學系統基于P2P流媒體的視頻傳輸速度快、高保真，基于P2P對等網絡傳輸流媒體視頻信號。數據采集為降低成本，設計采用最簡單的硬件直接“采屏”方式，將本機顯示VGA信號數字源進行處理，并通過P2P和視頻流媒體技術傳輸到網絡，以供節點計算機使用。“采屏”的技術當前發展成熟，技術獲取容易。核心部件是利用AD9430進行雙工工作，采樣數據輸出到大容量鎖存器，再由微處理器處理過后經總線接口9054傳入計算機總線，通過網卡上傳到網絡。

（3）適當延長舊計算機應用時限，延緩淘汰時間。

學校建有計算機機房，集中應用計算機少則幾十臺，多則上千臺。計算機技術的更新，新型高品質計算機、高速網絡進入普及時代，計算機的功能也不停地擴展。計算機品質決定了性能的發揮，新的軟件系統，要有較高的配置支持。從實踐調研中發現，計算機的生命周期平均為三年。一些在2003年前后生產的計算機已經退出視線，2006年前后生產的計算機已經被淘汰，2009年前后生產的計算機近在淘汰的邊緣，PC主流操作系統自2012年Windows 7發布后，微軟又公布Windows XP在2014年4月停止更新服務。在商家和社會需求的雙驅動下，新的軟件系統和新的功能時時在翻新，這是導致計算機應用壽命周期過短的主要原因。各類學校特別是高校，計算機機房逐年增加，舊計算機在不更新的情況下，難以完成新體系的教學實踐目標，計算機從幾千元新購機到淘汰變成200元左右的舊計算機，應用年限短則三年，長則五年，在有限的教學資金投入下，由于計算機的更新導致教學投入也很快地在更新中流逝了，致使投入和產出難以成正比，也成為各學校計算機硬件教學資源投入的致痛點。

本書以固化操作系統整合操作系統、多媒體教室軟件、系統保護軟件三者為一體制成PCI卡，以嵌入式理論載入計算機應用。從方案設想的來源，到嵌入式設計與實現，從具體研究實施過程，再到實踐應用的具體環節，從無到有，以研究開發過程為主線，輔以具體實驗數據為基礎，詳實地記述了固化系統這一實例開發過程，以此實現計算機利用率提高，擴展應用年限。計算機嵌入式PCI卡可直接應用在2005年以來生產的計算機上，可解決操作系統由Windows 98改成流行的Windows XP、Windows 7等難以加載問題，也提高了系統啟動速度，減少了內存的虛耗，讓舊計算機能和新計算機一樣再充分發揮一段效能。

（4）為未來系統資源提高效能、統一智能提供構想。

計算機啟動過程加速，節約時間。當有問題時，直接重啟計算機，操作系統立即恢復，其恢復的方式有點兒類似手機。一些機房內舊計算機維修換件后，硬件不統一，難以統一克隆安裝維護系統等問題得到明顯改善，計算機維修簡單。

面向未來，固化操作系統的特點為各類智能機都可提供強有力的系統，各類具有操作系統類的智能機，無論是手機或是計算機，只有大小、體積上的差別，主要操作系統從發展趨勢來說一般差別會減小，多種復雜的功能都能實現。嵌入式系統應用非常廣泛，小型固化系統可靠性高，形成免維護“無損系統”，對PC計算機操作系統的固化，一般認為操作系統是核心，固化后有很多的問題，最突出的是用于封裝操作系統的ROM價格太高，而且操作系統一般都在0.7～1.7GB之間的大容量。當前，大空間存儲ROM容量10GB價格約8元左右，與前兩年相比，價格更低、性能更高，因此從價格和技術上來說廣泛應用沒有問題。

3．本書研究中要說明的問題

計算機的操作系統類型非常多，本書研究對象就以現在流行于PC的Windows操作系統為主要對象，選擇版本為XP3。選擇這個版本的原因有三個，一是軟件價格低，物有所值，基本功能和Windows 7也差不多。二是停止服務的軟件，可從網上下載大眾軟件就能應用，功能沒有區別。三是當前微軟停止了XP3更新服務，而這款系統當前在我們國家應用率還很高，系統維護也有意義。

其實研究選用什么系統為基本研究對象并不重要，因為XP3和Windows 8從應用角度和從事的研究過程最終實現的目標看，沒有本質區別，如果用Windows 7或Windows 8研究應用過程也相差不多，所以選用大家熟悉的一款操作系統能更清楚地說明研究的過程。

本書研究內容因涉及專利保密技術，故略去了部分程序設計和硬件編程讀寫過程，敬請讀者見諒。